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Devitrification of Co3Ti studied by electron microscopy methods
Christian Ebner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Christian Rentenberger
DOI
10.25365/thesis.33501
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29712.96634.894955-0
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In dieser Arbeit wurde amorphes Co3Ti aus einer ursprünglich polykristallinen, L12 geordneten Legierung erzeugt. Die Legierung wurde aus hochreinen Elementen (jeweils 99.995 %) in einem Induktionsofen eingeschmolzen, in einem Kristallzuchtofen in Form gegossen und schließlich für ~100 h bei 950 °C ausgeheilt. Die so erhaltene homogene Co3Ti Phase wurde amorphisiert, indem eine Phasenumwandlung im Festkörper durch Hochverformung mit Hilfe der Methode der Hochdruckstorsion erzielt wurde. Nach der Verformung wurden die amorphisierten Proben mit verschiedenen elektronenmikroskopischen Methoden und mit Nanoeindrucksmessungen untersucht. Die thermische Stabilität des amorphen Zustandes wurde durch in-situ Heizen im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) sowie ex-situ mittels Differenzkalorimetrie (DSC) untersucht. Während des in-situ Experimentes wurde die Entglasung der Legierung durch Heizen in einem Heizhalter mittels Hellfeld- und Dunkelfeldaufnahmen, sowie mittels Beugungsbildern beobachtet. Die Entstehung von kleinen Nanokristallen (in der Größenordnung 5-50 nm) wurde beobachtet, wobei die Kristalle in Regionen mit großem Oberflächen zu Volumenverhältnis in bevorzugter Weise entstehen. Die Starttemperatur der Entglasung liegt bei etwa 400-430 °C, in Abhängigkeit von der lokalen Probendicke. Die in-situ entstandenen Nanokristalle besitzen eine Co-hexagonal dichtestgepackte (hdp) Struktur wie aus der Auswertung von Beugungsbildern hervorgeht. Zusätzlich zu den Co-reichen Nanokristallen zeigt das Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) auch eine hohe Dichte von Nanometer großen TiO2 Teilchen, welche auf der Oberfläche aufgewachsen sind. Die Oxidation bewirkt eine Konzentrationsänderung der Matrix in Richtung eines höheren Co-Gehalts und bewirkt schließlich die Entstehung von Co-reichen Kristallen mit der Hochtemperaturphase (kubisch flächenzentriert, kfz), in Übereinstimmung mit dem Phasendiagramm. Durch Abkühlen der Probe nach erfolgter Entglasung wird eine polymorphe Phasentransformation von der Hochtemperatur Co-kfz zur Niedertemperatur Co-hdp Phase ausgelöst, was mittels Elektronenbeugung beobachtet wurde. Aufgrund der kleine Größe der Kristallite wurden viele kfz-strukturierte Teilchen mit einer hohen Stapelfehlerdichte in Hochauflösungsbildern beobachtet. Die ex-situ Experimente, welche an massiven Proben mittels DSC durchgeführt wurden, zeigten die Entstehung von kfz Co3Ti Kristallen. Dies wurde durch Elektronenbeugung und atomar aufgelöster STEM-Aufnahmen festgestellt. Die Kristalle zeigen ein stark anisotropes Wachstum was sich in einer Plattenform der Kristallite manifestiert. Die Orientierung verschiedener Körner ist statistisch verteilt, was darauf hindeutet das es keinen Einfluss der einzelnen Körner auf deren Wachstum über die Matrix hinweg gibt. Die ex-situ DSC Messungen ergaben eine im Vergleich zu den in-situ Beobachtungen höhere Phasenübergangstemperatur (~460 °C), aufgrund der reduzierten Oberflächeneffekte. Die Nanoeindrucksmessungen ergaben einen Unterschied in Härte und Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von der thermischen Behandlung nach der Verformung. Der E-Modul der amorphen Probe ergab den niedersten Wert von 131.1+-3.8 GPa, während die vollständig entglaste Probe einen Wert von 182.39+-3.98 GPa aufweist. Die Härte steigt ebenfalls von 6.48+-0.15 GPa des amorphen Zustandes auf 7.68+-0.12 GPa der thermisch behandelten Probe an.
Abstract
(Englisch)
In this work amorphous Co3Ti is produced from an initially polycrystalline L12 structured alloy. The alloy is molten using Cobalt and Titanium of high purity (99.995 % each) in an induction furnace, casted in a crystal growth furnace and annealed for ~100 h at 950 °C. The homogenized Co3Ti phase is rendered amorphous, performing a solid state transition by severe plastic deformation using the method of high pressure torsion (HPT). After deformation, the amorphous specimens are investigated by different electron microscopy methods and by nanoindentation. The thermal stability of the amorphous state is analyzed by in-situ heating in a transmission electron microscope (TEM) and ex-situ by differential scanning calorimetry (DSC). During the in-situ experiment the devitrification is studied by heating the specimen stepwise inside a heating holder, using bright-field, dark-field and diffraction imaging. The formation of small sized nanocrystals (5-50 nm) is observed, forming in a preferred way in thin specimen regions, where the surface to volume ratio is very high. The starting temperature of devitrification is around 400 °C to 430 °C, depending strongly on the local specimen thickness. The nanocrystals formed in-situ show mostly the Co-hcp structure, as deduced from the analysis of diffraction patterns. In addition to the Co-hcp nanocrystals, scanning transmission electron microscopy (STEM) revealed a high density of nanometer sized TiO2 particles grown at the surface. This process changes the composition of the remaining matrix to a higher Co content and leads finally to the formation of Co-rich crystallites with the high temperature fcc structure, according to the phase diagram. By cooling the specimen after devitrification a polymorphic phase transformation occurs from the Co-fcc high-temperature phase to the Co-hcp low temperature phase as observed by electron diffraction. Due to the small size of the crystals, still fcc structured ones containing a high density of stacking faults are observed by high resolution TEM. In ex-situ experiments performed on bulk samples in the DSC the formation of fcc Co3Ti crystallites is deduced by electron diffraction and atomic resolution STEM. The fcc crystals form out of the amorphous phase by a strong anisotropy growth, that results in a plate like form of the crystallites. The crystal orientation of different grains is randomly distributed, indicating that there is no influence on growth via the matrix between these grains. The ex-situ DSC measurements show a higher phase transition temperature (~460 °C) as compared to the in-situ observations due to the reduced surface effects. The nanoindentation experiments revealed a difference in hardness and Young's modulus, depending on the thermal treatment after the HPT processing. The amorphous specimen shows the lowest E-modulus with 131.1+-3.8 GPa, whereas in the fully recrystallized material it recovers to 182.39+-3.98 GPa. The hardness increases from 6.48+-0.15 GPa for the amorphous state up to 7.68+-0.12 GPa by the thermal treatment.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
devitrification nanocrystalline electron microscopy
Schlagwörter
(Deutsch)
Entglasung nanokristallin Elektronenmikroskopie
Autor*innen
Christian Ebner
Haupttitel (Englisch)
Devitrification of Co3Ti studied by electron microscopy methods
Paralleltitel (Deutsch)
Entglasung von Co3Ti untersucht mittels elektronenmikroskopischer Methoden
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
97 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christian Rentenberger
AC Nummer
AC12099336
Utheses ID
29761
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |