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Microstructural evolution and mechanical behavior of highpressure torsion processed Zn-Bi alloys
Elia Johannes Gantner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Lehramt Sek (AB) Unterrichtsfach Mathematik Unterrichtsfach Physik
Betreuer*in
Erhard Schafler
DOI
10.25365/thesis.81877
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26136.62867.790850-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Entwicklung biologisch abbaubarer Implantate basiert auf der metallurgischen Forschung, die die Optimierung der mechanischen und funktionalen Eigenschaften von Legierungen zum Ziel hat. Die ursprüngliche Intention dieser Arbeit war es, die medizinische Anwendbarkeit einer Zink-Bismut-Legierung, beispielsweise für Gefäßstützen, zu untersuchen. Die Forschung bezog sich auf zwei Zink-Legierungen mit jeweils einem Bismut-Anteil von zwei und acht Gewichtsprozent, die von der AGH Universität für Wissenschaft und Technologie in Krakau bereitgestellt wurden. Die Proben erfuhren beim Gießen eine Ultraschallbehandlung von 0, 240, 480 oder 720 W, wobei der Fokus der Experimente auf die ersten beiden Leistungsstufen gelegt wurde. Damit sollten die Einflüsse der Ultraschallbehandlung beim Gießen, kombiniert mit starker plastischer Verformung (SPD) durch Hochdrucktorsion (HPT), auf die mechanischen Eigenschaften untersucht werden. Die ersten Härtemessungen zeigten jedoch ein äußerst unerwartetes Ergebnis und änderten somit den Verlauf der folgenden Forschung. Gegen alle Erwartungen zeigten die Proben kollektiv eine reziproke Beziehung zwischen dem Grad der Verformung und der Härte. Da im Allgemeinen eine Härtung durch SPD zu erwarten ist, wechselte der Fokus dieser Arbeit dadurch auf die scheinbar unerklärliche Entfestigung. Um die Hintergründe des überraschenden Weicherwerdens zu erforschen, wurde eine skalenübergreifende Mikrostruktur- und Defektanalyse herangezogen, um Zusammenhänge zwischen der Härte des Materials und dem Maß der Verformung zu finden. Zuallererst wurde die Dichte der Proben mit einem Pyknometer untersucht, und es wurde festgestellt, dass diese keine Abhängigkeit von der Verformung hat. Die anschließende Überprüfung der Mikrostruktur mittels Licht- und Elektronenmikroskopie zeigte ein feinkörnigeres Gefüge in Abhängigkeit vom Verformungsgrad. Allerdings wurden keine morphologischen Änderungen in der Kornstruktur gefunden, die das Weicherwerden erklären konnten. Dazu kommt, dass die durch Röntgenbeugung (XRD) erzeugten Polfiguren lediglich charakteristische Verformungsstrukturen und dynamische Rekristallisation aufweisen. Folglich scheint die Textur auch keine Korrelation mit der Härte der Proben zu haben. Im Folgenden wurde durch Linienprofilanalyse (XLPA) nachgewiesen, dass die Größe der kohärent streuenden Gebiete (CSD) und die Versetzungsdichte über alle Proben und Verformungsgrade annähernd konstant bleiben und auch nicht mit dem Effekt zusammenhängen. Schlussendlich wurde noch durch Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) belegt, dass sich die chemische Zusammensetzung der Proben kaum ändert. Mit diesen Ergebnissen wurden die hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Bilder erneut herangezogen. Da alle anderen denkbaren Faktoren keine Abhängigkeit vom Verformungsgrad aufweisen, kann geschlussfolgert werden, dass die ursprüngliche Hypothese einer konventionellen Verfestigung oder einer durch Phasenumwandlung induzierten Verfestigung widerlegt ist. Stattdessen deuten die experimentellen Ergebnisse auf eine verformungsinduzierte Umverteilung der sekundären Bismutphase an die Korn- oder Phasengrenzen hin. Diese Lokalisierung fungiert als primäre Triebkraft hinter der makroskopischen Entfestigung und überlagert effektiv die erwarteten Härtungseffekte durch Versetzungsbildung und Kornfeinung. Dieser Effekt wird im Allgemeinen dem Phänomen der Korngrenzenbenetzung (Grain Boundary Wetting, GBW) zugeschrieben, dessen strikte Voraussetzungen, nämlich das Vorliegen eines feinen Gefüges sowie einer zweiten Phase, hier offensichtlich erfüllt sind. Bei Gefäßstützen ist die Entfestigung ein kritischer Aspekt, da sie meist mit einem Abfall der Zugstreckgrenze einhergeht. Ungeachtet dessen wurde das primäre Ziel dieser Arbeit erreicht. Auch wenn sich der Schwerpunkt aufgrund des unerwarteten mechanischen Verhaltens von einer rein biomedizinischen Anwendungsstudie verschob, wurden die für diese anomale Entfestigung im Zn-Bi-System unter SPD verantwortlichen Mechanismen erfolgreich bestimmt. Obwohl klar ist, dass es sich um ein grenzflächengesteuertes Phänomen handelt, bleiben für ein lückenloses Verständnis noch Fragen offen. Zur genaueren Analyse des GBW ist eine hochauflösende TEM-Analyse der Bismut-Ansammlungen an den Tripelpunkten der Korngrenzen notwendig. Ergänzend könnte die Dicke der Bismut-Filme mittels Atomsondentomographie untersucht werden, um die Existenz von Grenzflächenkomplexen zu belegen oder zu widerlegen.
Abstract
(Englisch)
The continuous development of biodegradable implants is driven by metallurgical research in search of optimizing the mechanical and functional properties of various alloys. This work was originally aimed at evaluating the biomedical applicability of a zinc-bismuth alloy; for example, cardiovascular stents. The research centered on two zinc alloys with a bismuth concentration of 2wt% and 8wt%, which were provided by the AGH University of Science and Technology in Krakow, Poland. These alloys were sonicated during casting at power levels of 0, 240, 480, and 720 W, with a particular focus on the first two power levels. The influence of the combination of ultrasonic processed casting and severe plastic deformation via high-pressure torsion on the alloys mechanical properties was to be investigated. After the first measurements of the mechanical properties, however, an unexpected result marked a turning point in the course of investigations. Against all expectations, the samples showed an inverse relationship between deformation and hardening. Since hardening is generally expected after Severe Plastic Deformation, the focus of this work shifted fundamentally. To explore the mechanisms behind this surprising softening, a multiscale microstructure and defect analysis was conducted to establish correlations between the material's hardness and the degree of deformation. First, density measurements using a pycnometer showed no dependence on deformation. Subsequent microstructural characterization via optical and electron microscopy revealed a refined grain structure dependent on the amount of deformation. However, no morphological changes in the grain structure could explain the softening. Furthermore, pole figures generated by X-ray diffraction exhibited only characteristic deformation textures and dynamic recrystallization, indicating that texture also correlates poorly with hardness. X-ray line profile analysis subsequently demonstrated that the coherent scattering domain size and dislocation density remained approximately constant across all samples and deformation states, showing no relation to the softening effect. Finally, electron probe microanalysis confirmed that the chemical composition of the samples remained virtually unchanged. Based on these findings, high-resolution scanning electron microscopy images were re-evaluated. Since all other possible factors showed no dependence on the degree of deformation, it can be concluded that the initial hypothesis of conventional or phase-transformation-induced hardening is disproven. Instead, the experimental results point to a deformation-induced redistribution of the secondary bismuth phase to the grain or phase boundaries. This localization may act as the primary driving force behind the macroscopic softening, effectively overriding the expected hardening effects from dislocation formation and grain refinement.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Starke plastische Verformung (SPD) Hochdrucktorsion (HPT) Zink-Bismut-Legierungen (Zn-Bi) Korngrenzenbenetzung (GBW) Mikrostruktur- und Defektanalyse Röntgen-Linienprofilanalyse (XLPA) Biologisch abbaubare Implantate
Schlagwörter
(Englisch)
Severe Plastic Deformation (SPD) High-Pressure Torsion (HPT) Zinc-Bismuth alloys (Zn-Bi) Grain Boundary Wetting (GBW) Microstructure and Defect Analysis X-ray Line Profile Analysis (XLPA) Biodegradable Implants
Autor*innen
Elia Johannes Gantner
Haupttitel (Englisch)
Microstructural evolution and mechanical behavior of highpressure torsion processed Zn-Bi alloys
Paralleltitel (Deutsch)
Gefügeentwicklung und mechanisches Verhalten von mittels Hochdrucktorsion verformten Zn-Bi-Legierungen
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
vi, 80 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Erhard Schafler
Klassifikation
33 Physik > 33.62 Mechanische Eigenschaften. akustische Eigenschaften. thermische Eigenschaften
AC Nummer
AC18016742
Utheses ID
81771
Studienkennzahl
UA | 199 | 520 | 523 | 02