Phasenbildung, Phasenübergang und mechanische Eigenschaften des Funktionsmaterials Eisen-Palladium

Abstract

Die Legierung Eisen-Palladium ist ein Funktionsmaterial, dessen physikalische Eigenschaften auf vielfältige Weise beeinflusst werden können. Liegt der Palladiumgehalt bei etwa 30%, durchläuft das Material einen martensitischen Phasenübergang, dessen Übergangstemperatur durch leichte Variation der Zusammensetzung stark verändert werden kann. Ein vorrangiges Ziel dieser Arbeit war es, diejenigen Faktoren zu identifizieren, die die Stabilität der fcc Austenit- und fct Martensitphase gegenüber der Bildung von Ausscheidungen oder einer unerwünschten raumzentrierten Phase begünstigen und den Phasenübergang positiv beeinflussen. Dies erfolgte durch gezielte Variation der Zusammensetzung und der nachträglichen Glühbehandlung dünner Folien, die mit der Splatquenching-Technik hergestellt wurden, sowie durch Hinzulegieren von Kupfer. So konnte der Zusammenhang von Mikrostruktur, Eisengehalt, Valenzelektronenkonzentration, Phasenstabilität und Transformationstemperatur identifiziert werden. Im relaxierten Zustand, also nach einer hinreichend langen und heißen Glühbehandlung, liegen Proben mit einer Valenzelektronenkonzentration über 8,59 Elektronen pro Atom in der fcc/fct-Struktur vor. Unterhalb dieser Konzentration tritt die fct Phase nur auf, wenn sie durch eine defektreiche Mikrostruktur begünstigt wird. Die Transformationstemperatur von der fct- in die fcc-Phase steigt linear mit dem Eisengehalt der Proben an. Durch die Zugabe einer geeigneten Menge Kupfer ist es möglich, bei einer festen Elektronenkonzentration den Eisengehalt und damit die Übergangstemperatur zu erhöhen. In binären Proben beeinflusst neben dem Eisengehalt die Mikrostruktur den martensitischen Phasenübergang. Insbesondere durch das Ausheilen von Defekten und Verzerrungen sowie die Vergröberung der Säulenstruktur beim Glühen bei Temperaturen über 800 °C verschmälert sich der Transformationsbereich, so dass das Material bereits bei höheren Temperaturen vollständig in der martensitischen Phase vorliegt. Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften während des Phasenübergangs wurde ein eigens für die Untersuchung dünner Folien konzipiertes Vibrating-Reed-Experiment aufgebaut. Die Dämpfung der Proben steigt nach dem Phasenübergang stark an. In Proben mit einem Palladiumgehalt von 29% wird ein Elastizitätsmodul von 100GPa beobachtet. Wegen der Tendenz zur Bildung der bcc-Phase ist das Aufweichen des Kristallgitters in diesen Proben deutlich schwächer ausgeprägt als bei Proben mit 30% Palladium, in denen ein Elastizitätsmodul von 72GPa erreicht wird. Anhand eines Vergleichs mit Spannungs-Dehnungsmessungen mit einer kommerziellen Zugprüfanlage und Röntgendiffraktogrammen gedehnter Proben können die besonderen mechanischen Eigenschaften der Folien erklärt werden. Beim Dehnen austenitischer Proben, die mit einem Elastizitätsmodul von nur 25GPa sehr weich sind, tritt stark verzwillingter spannungsinduzierter Martensit auf. Im Martensit ist das Material mit einem Elastizitätsmodul von 13GPa sogar noch weicher und es kann eine Reorientierung der Martensitvarianten beobachtet werden. Die Elastizitätsmoduli, die aus den Spannungs-Dehnungskurven gewonnen wurden, sind deutlich kleiner als jene, die sich aus dem Vibrating-Reed-Experiment ergeben. Diese Differenz kann unter anderem auf die unterschiedliche Glühbehandlung der Proben und die verschiedenen Zeitskalen und Dehnungsamplituden der beiden Experimente zurückgeführt werden. Die interessanten mechanischen Eigenschaften der Legierung Eisen-Palladium, wie die äußerst geringen Elastizitätsmoduli oder die spannungsinduzierte Transformation in den Martensit, werden durch die flache Energielandschaft mit geringen Unterschieden zwischen den Energien der verschiedenen Kristallstrukturen ermöglicht. Diese geringen Unterschiede der Energien führen allerdings gleichzeitig zu einer Instabilität der Phasen gegeneinander. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse über den Einfluss von Valenzelektronenkonzentration, Eisengehalt und Mikrostruktur auf Phasenstabilität und Transformationstemperatur ermöglichen es, die Martensitp hase auch bei höheren Temperaturen zu stabilisieren.