Anelastische Relaxationen durch Punktdefekte und Versetzungen in Fe-Al-Legierungen

Strahl, Alexander

Legierungen aus Eisen und Aluminium finden in vielen industriellen Bereichen Verwendung, da sie ein niedriges Gewicht, eine höhere Festigkeit und eine bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber reinem Eisen oder vielen Stählen aufweisen. Das mechanische und thermische Verhalten solcher Legierungen zu kennen und zu verstehen ist entsprechend wichtig; hierfür bietet die Messung der inneren Reibung mittels Vibrating-Reed-Technik mit Biege- und Torsionsschwingungen eines dünnen Blättchens, einem Teilbereich der so genannten Mechanischen Spektroskopie, eine gute Möglichkeit, weil sie dynamische Prozesse bei atomaren Umordnungen bei zunehmender Temperatur zu detektieren und quantitativ zu analysieren gestattet. In dieser Arbeit wird die Mechanische Spektroskopie an einer Reihe von verschiedenen Fe-Al Legierungen vorgenommen. Die untersuchten Konzentrationen variieren von reinem Eisen bis zu FeAl Legierungen mit 50 at.%Al Anteil, wobei die Variationsschritte bei Erhöhung des Al-Anteils unter 5 at%.Al liegen. Der untersuchte Temperaturbereich reicht von ca. 93 bis 923 K. In diesem Intervall lassen sich vier Maxima im Dämpfungsspektrum finden, der D-, S-, X- und Z-Peak. Den gefundenen Peaks werden mittels Variation unterschiedlicher Parameter, wie z.B. der thermischen und mechanischen Vorbehandlung oder des Kohlenstoffanteils, bestimmten Mechanismen zugeordnet. Der D-Peak wird mit Versetzungen (linienhaften Defekten) in Verbindung gebracht, während der S-Peak durch einen Snoek-artigen Mechanismus (Sprünge von Kohlenstoff-Atomen zwischen benachbarten Zwischengitterplätzen) gedeutet wird. Der X-Peak wird auf eine Relaxation kombinierter Kohlenstoff-Leerstellen-Paare zurückgeführt. Der Z-Peak kann dem Zener-Mechanismus (Reorientierung von Substitutionsatom-Paaren entlang der Spannungsrichtung) zugeordnet werden. Die gefunden Mechanismen werden mit Literaturangaben verglichen und verifiziert. Eine Gegenüberstellung der ermittelten Aktivierungsenergien illustriert die gefundenen Zusammenhänge. Eine eingehende quantitative Analyse des S-Peaks bei variierter Al-Konzentration erlaubt einen Abschätzung der Wechselwirkungsweite zwischen Al- und C-Atomen in der Legierung Fe-Al(-C). Als zusätzliche Ergänzung werden bestimmte binäre Legierungskonzentrationen um ein drittes Element erweitert, um so Aussagen, die bei der Fe-Al Legierung gefunden wurden, zu verifizieren, aber auch um sie auf die ternären Legierungen zu übertragen.

Iron-Aluminium alloys are applied in different industrial areas owing to their superior properties, like lower weight, higher stiffness and better corrosion resistance than for pure iron or many kinds of steels. Accordingly it is important to know and to understand the mechanical and thermal behaviour of such alloys. Measurements of internal friction using the vibrating-reed-technique with flexural and torsional vibrations, which is part of the so called mechanical spectroscopy, provide a good choice with the possibility to detect and to analyse qualitatively the dynamical processes during atomic reorientation when the temperature is increased. In this work mechanical spectroscopy is conduced with a series of different Fe-Al-alloys. The Al concentrations vary from pure iron up to FeAl with 50 at.%Al, with concentration steps less than 5 at.%. The measured temperature range varies from approximately 93 K to 923 K. In this interval four maxima in the damping spectra are detected, the D-, S-, X- and Z-Peak. Via variation of different parameters, like the thermal and mechanical pre-treatments or the carbon ratio, it is possible to assign each peak to a specific mechanism. The D-peak is connected to dislocations (line defects), while the S-peak is interpreted as a Snoek-like mechanism (jumps of carbon interstitial atoms). The X-peak is ascribed to a relaxation of combined carbon and vacancy pairs. The Z-peak is related to a Zener-mechanism (reorientation of substitional atom pairs according to the direction of strain). The proposed mechanisms are compared and verified with data from literature. A comparison of the determined activation energies illustrates the found coherences. A detailed quantitative analysis of the S-peak with varying Al concentrations permits to estimate the interaction range between Al- and C-atoms in the alloy Fe-Al-(C). For an additional development certain binary alloy concentrations are extended by a third element, in order to verify the achieved statements, as well as to transfer them to the ternary alloys.

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Strahl, Alexander: Anelastische Relaxationen durch Punktdefekte und Versetzungen in Fe-Al-Legierungen. 2006.

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