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Stabilization of deformation induced lattice defects in hydrogenated palladium and carbonized iron subjected to SPD

Wolfgang Reß

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)

Betreuer*in

Michael Zehetbauer

Mitbetreuer*in

Daria Setman

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DOI

10.25365/thesis.70914

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-13303.90570.377280-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Da Metall-Wasserstoff-Systeme (M-H) unter anderem die Fähigkeit besitzen, Wasserstoff (H) vorübergehend zu speichern, gelten sie als sicherer Energieträger der Zukunft. Daher wurden sie in den letzten Jahrzehnten intensiv erforscht. Kürzlich haben einige Forschungsgruppen für das Palladium-Wasserstoff-System (Pd-H) gezeigt, dass die Wasserstoffatome Defekte mit freiem Volumen einfangen und/oder stabilisieren können, einschließlich solcher, die durch plastische Verformung erzeugt werden. Deformationsinduzierte Einzel-/Doppelleerstellen, Leerstellenagglomerate, Versetzungen und Kristallitgrenzen sind als solche Defekte mit freiem Volumen in Betracht zu ziehen. Darüber hinaus beobachteten nur wenige Studien einen Härtungseffekt als Folge des durch Wasserstoff verursachten Einfangens und Stabilisierens solcher Gitterdefekte. Bisher wurden jedoch keine klaren Analysen der Defekttypen oder ihrer spezifischen Härtungsmechanismen durchgeführt. Ziel dieser Doktorarbeit war es daher, die berichteten Erhöhungen der Defektdichten insbesondere im Hinblick auf neue Verformungsmethoden wie z.B. die starke plastische Verformung (SPD) sorgfältig zu untersuchen und die Auswirkungen der Hydrierung auf die mechanischen Eigenschaften zu analysieren. Zu diesem Zweck wurde kommerziell reines Pd bis zu verschiedenen Wasserstoffkonzentrationen elektrochemisch hydriert und anschließend zum Vergleich mit der Literatur mittels Hochdrucktorsion (HPT) und Kaltwalzen (CR) verformt. Differenz-Kalorimetrie (DSC) wurde auf unterschiedlich deformierte Proben angewendet, um die durch Deformation induzierten Gitterdefekte, insbesondere Einzel-/Doppelleerstellen und Leerstellenagglomerate, nachzuweisen. Parallel dazu wurden isochrone Studien mittels Röntgenlinienprofilanalyse (XLPA) durchgeführt, um die Präsenz und das Ausheilen von Versetzungen sowie der thermisch induzierten Änderungen der Kristallitgröße zu untersuchen. Parallel dazu wurden auch Mikrohärte-Isochronen aufgenommen, um die individuellen Auswirkungen verformungsinduzierter Defekte auf die makroskopische Festigkeit der Materialien zu untersuchen. In den hydrierten HPT-prozessierten Materialien trat in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt eine Stabilisierung von Einzel- bzw. Doppelleerstellen auf. Am signifikantesten war eine starke Bildung von Leerstellenagglomeraten zu beobachten, jedoch keine signifikante Zunahme der Versetzungsdichte. Die Abnahme der Kristallitgröße (falls vorhanden) war gering. Die Bildung von Leerstellenagglomeraten scheint für die markante Zunahme der Festigkeit verantwortlich zu sein, die sich in den Mikrohärte-Isochronen widerspiegelt und die bei etwa derselben Isochronentemperatur auftrat. Im Gegensatz zur Literatur für kleine Deformationen wurden diese Ergebnisse von Untersuchungen an walzdeformierten Materialien bestätigt, obwohl die Defektdichten und die Härtung der Leerstellenagglomeration aufgrund der vergleichsweise kleinen Verformung deutlich geringer waren. Neuere Literatur dokumentiert, dass die im Pd-H-System beobachteten erhöhten Defektdichten auch im Eisen-Kohlenstoff-System (Fe-C) zu finden sind, wobei C die Rolle von H übernimmt. Daher war es ein zusätzliches Ziel dieser Arbeit, Hinweise für diese Analogie für den Fall von verformungsbedingten Defekten zu finden. Pulver aus kugelgemahlenem Fe 0,8Gew.-% C und Fe wurden konsolidiert und anschließend durch HPT verformt. Wie im Fall von Pd-H wurden die erhaltenen Proben isochronen Glühbehandlungen unterzogen und mittels DSC, XLPA und Mikrohärte untersucht. Abermals war der offensichtlichste Effekt von C die Stabilisierung von Leerstellenagglomeraten, wobei die Konzentrationen in HPT-prozessiertem Fe-C bis zu einem Faktor 10 höher waren als in reinem HPT-prozessierten Fe. Gleiches gilt für die HPT-induzierten Einzel-/Doppelleerstellen, während die Dichten der Versetzungen und Kristallitgrenzen durch die Präsenz von C wesentlich weniger beeinflusst werden. Im Allgemeinen war die Stabilisierung der verformungsinduzierten Defekte in Fe-C stärker ausgeprägt als in Pd-H, nicht zuletzt wegen des höheren Atomradiusverhältnisses von Zusatz- und Matrixmetall. Abermals führte die Bildung von Leerstellenagglomeraten zu einem deutlichen Härtungseffekt, der ebenfalls in HPT-prozessiertem Fe-C größer ausfällt als im HPT-prozessiertem Pd-H. Außergewöhnlich hohe Konzentrationen von verformungsinduzierten Einzel-/Doppelleerstellen und Leerstellenagglomeraten konnten in den kugelgemahlenen Materialien nachgewiesen werden, was mit dem multidirektionalen Charakter und den extrem hohen Verformungsgraden des Kugelmahlens erklärt werden kann. In Summe hat diese Dissertation gezeigt, dass in Legierungen die nicht dominante Komponente die Oberflächenenergie von Gitterdefekten deutlich senken kann und dadurch ihre thermische Stabilität erhöht. Dies ist in guter Übereinstimmung mit einem in jüngerer Zeit vorgestellten Modell von R. Kirchheim.

Abstract

(Englisch)

As metal-hydrogen (M-H) systems possess, among others, the capability of temporarily storing hydrogen (H), they are considered as a safe energy carrier of the future; therefore, they have been subject of intense research during the last decades. Recently, some research groups have shown for the palladium-hydrogen (Pd-H) system that the hydrogen atoms can trap and/or stabilize free-volume defects including those generated by plastic deformation. Deformation-induced single/double vacancies, vacancy agglomerates, dislocations and crystallite boundaries are worth considering as such free-volume defects. Furthermore, few studies observed also a hardening effect as a consequence of the hydrogen-mediated trapping and stabilization of such lattice defects, but so far no clear analyses of the defects’ types nor of their specific hardening mechanisms were done. Therefore it was the aim of this PhD thesis to carefully re-examine the reported raises in defect densities especially with respect to new deformation methods such as Severe Plastic Deformation (SPD), and analyze any effect to mechanical properties caused by hydrogenation. For this purpose commercially pure Pd was electrochemically hydrogenated up to various hydrogen concentrations, and subsequently processed by High Pressure Torsion (HPT), and cold rolling (CR) for the sake of comparison with the literature. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was applied to differently deformed samples for detecting the deformation-induced lattice defects, particularly single/double vacancies and vacancy agglomerates. In parallel, isochronal studies of X-ray Line Profile Analysis (XLPA) were performed to explore the presence and annealing of dislocations, as well as of the thermally induced changes of crystallite size. In parallel, too, isochrones of microhardness were taken to investigate the individual effects of deformation-induced defects to the macroscopic materials’ strength. In the hydrogenated HPT-processed materials, as a function of hydrogen content, stabilization of single/double vacancies occurred; most significantly, a strong formation of vacancy agglomerates was observed, but no significant increase of dislocation density. The decrease in the crystallite size (if any) was small. The formation of vacancy agglomerates seems to be responsible for the marked anneal hardening reflected by microhardness isochrones which occurred at about the same isochrone temperature. In contrast to literature on small deformation, these results were confirmed by the investigations of cold rolled materials although the defect densities and vacancy agglomeration hardening were much smaller because of restricted deformation strain. Recent literature documented that the effects of the Pd-H system with respect to enhanced defect densities can be found also in the iron-carbon (Fe-C) system with C taking the role of H. Thus it was an additional aim of this thesis to find evidence for that analogy for the case of deformation-induced defects. Powders of ball milled Fe and Fe0.8wt%C were consolidated and subsequently deformed by HPT. Like in the case of Pd-H, the obtained samples were subjected to successive isochronal annealing treatments and studied by DSC, XLPA and microhardness. Again, the most apparent effect of C has been the stabilization of vacancy agglomerates with concentrations being up to a factor 10 larger in HPT-processed Fe-C than in pure Fe. The same is true for the HPT-induced single/double vacancies, while the densities of dislocations and crystallite boundaries are much less affected by the presence of C. Generally, the stabilization of deformation-induced defects was significantly stronger in Fe-C than in Pd-H because of the higher ratio of atomic radii of additional and matrix metal. Again the formation of vacancy agglomerates led to a marked anneal hardening effect which, however, was more pronounced in Fe-C than in HPT-processed Pd-H. Extraordinarly high concentrations/ densities of deformation induced single/double vacancies, and vacancy agglomerates were detected in the ball-milled materials probably because of the multidirectional character as well as of the high deformation degree of ball milling. In sum, this thesis has clearly shown that in alloys the non-dominant component can significantly decrease the surface energy of lattice defects and thus increase their thermal stability, in good accordance with the recent model created by R. Kirchheim.

Autor*innen

Wolfgang Reß

Haupttitel (Englisch)

Stabilization of deformation induced lattice defects in hydrogenated palladium and carbonized iron subjected to SPD

Paralleltitel (Deutsch)

Stabilisierung verformungsinduzierter Gitterfehler in stark plastisch verformtem hydriertem Palladium und karbonisiertem Eisen

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

ii, 119 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Astrid Pundt ,

Tamas Ungar

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften ,

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.28 Transportvorgänge, irreversible Thermodynamik ,

33 Physik > 33.60 Kondensierte Materie: Allgemeines ,

33 Physik > 33.61 Festkörperphysik ,

33 Physik > 33.62 Mechanische Eigenschaften, akustische Eigenschaften, thermische Eigenschaften ,

35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines

AC Nummer

AC16523830

Utheses ID

61799

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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