Clustering Kinetics in Al-Mg-Si Alloys Investigated by Positron Annihilation Techniques

182 Pages·2014·30.69 MB·English

by  Meng Liu

Clustering Kinetics in Al-Mg-Si Alloys
Investigated by Positron Annihilation Techniques

vorgelegt von
Dipl.-Phys.
Meng Liu
aus Xuzhou, V.R. China

von der Fakultät III − Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Naturwissenschaften
− Dr. rer. nat. −
genehmigte Dissertation
angefertigt am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Institut für Angewandte Materialforschung

Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Walter Reimers
Gutachter: Prof. Dr. John Banhart
Gutachter: Prof. Dr. Reinhard Krause-Rehberg

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 02. Juli 2014

Berlin 2014
D83

Dedicated to
my parents and sister
for their love and encouragements

Eidesstattliche Erklärung
Ich erkläre an Eides Statt, dass ich die vorliegende Dissertation in allen Teilen selbstständig
verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle
Ausführungen, die anderen veröffentlichten oder nicht veröffentlichten Schriften wörtlich
oder sinngemäß entnommen wurden, habe ich kenntlich gemacht.

Ort, Datum Unterschrift

Kurzfassung
Die Clusterbildungsprozesse in abgeschrecktem reinem Al, Al-Mg und Al-Si, sowie in
reinen oder Cu/Ge-haltigen Al-Mg-Si-Legierungen wurden während der Kaltauslagerung
mittels Positronen-Lebensdauer-Spektroskopie, Dopplerverbreiterungs-Spektroskopie sowie
Thermoanalyse (DSC) untersucht.
In reinem Al, Al-Mg- und Al-Si-Legierungen werden Positronen entweder in der Matrix
oder in einzelnen-Leerestellen (Al) bzw. in Aggregaten aus Leerstellen und gelösten
Atomen (Al-Mg- und Al-Si-Legierungen) vernichtet. Während der Kaltauslagerung werden
Leerstellencluster in verschiedenen Größen und Dichten gebildet. Der Prozess ist abhängig
von der Sprungfrequenz der Leerstelle, die an entweder Mg oder an Si Atome gebunden ist.
Direkt oder kurz nach dem Abschrecken konnten zwei konkurrierende Positronenfallen in
reinen Al-Mg-Si-Legierungen identifiziert werden. Die erste Falle enthält Leerstellen ist tief
(~1 bis 2 eV) und fängt die meisten Positronen irreversibel ein. Die zweite Falle wird von
leerstellenfreien Atomclustern gebildet und ist flach (0,031 eV). Aus dieser können
Positronen wieder entweichen. Während der ersten 80 min der Kaltauslagerung fangen
Cluster aus gelösten Atomen aufgrund der Zunahme Ihrer Größe und Dichte zunehmend
Positronen ein, und der Beitrag der Leerstellen nimmt kontinuierlich ab. Die Bildung und das
Wachstum von Clustern aus gelösten Atomen ist in Al-0,6%Mg-0,8%Si wesentlich schneller
als in Al-0,4%Mg-0,4%Si Legierungen, wahrscheinlich aufgrund der höheren Konzentration
von gelösten Atomen. Bei fortschreitender Kaltauslagerung wird das weitere Wachstum der
zuvor gebildeten Si-reichen Cluster durch Mg dominiert. Nach 1 Woche Kaltauslagerung
werden die meisten Positronen vor allem von Clustern eingefangen, die ein Mg/Si-Verhältnis
nahe 1 aufweisen.
In Al-Mg-Si-Legierungen mit Cu verlangsamt Cu zunächst die Bildung von Clustern aus
gelösten Atomen, fördert aber das anschließende Wachstum. In Al-Mg-Si-Legierungen mit
Ge, wird die Kinetik der Raumtemperaturalterung durch Ge mehr verzögert als durch Si. All
diese Effekte werden durch die Wechselwirkung zwischen Leerstellen und gelösten Atomen
oder Clustern erklärt.

Abstract
The clustering kinetics in quenched pure Al, Al-Mg and Al-Si, as well as in pure or Cu/Ge-
containing Al-Mg-Si alloys during natural ageing have been studied by applying positron
annihilation lifetime spectroscopy, Doppler broadening spectroscopy and differential
scanning calorimetry.
In Al, Al-Mg and Al-Si alloys, positrons annihilate either in the bulk material, or in vacancy-
type defects such as mono-vacancies (Al) and vacancy-solute complexes (Al-Mg and Al-Si
alloys). Upon natural ageing, vacancy clusters of various sizes and number densities are
formed. Such process depends on the jump frequency of the vacancy attached either to Mg or
to Si atoms.
Directly or shortly after quenching, two competing positron trapping sites could be identified
in pure Al-Mg-Si alloys. The first trap related to vacancy-type defects is deep (~1 to 2 eV),
i.e. traps most of the positrons irreversibly. The second trap associated with vacancy-free
solute clusters is shallow (0.031 eV) and positrons can escape. During the first 80 min of
natural ageing, solute clusters increasingly trap positrons due to their increase in size and
number density and the contribution from vacancy-type defects continuously decreases. The
formation and growth of solute clusters is much more efficient in Al-0.6%Mg-0.8%Si than in
Al-0.4%Mg-0.4%Si alloys, probably due to a higher concentration of solute atoms. As
ageing proceeds, the further growth of the previously formed Si-rich solute clusters is
increasingly dominated by Mg. After 1 week of natural ageing, most positrons are trapped by
solute clusters that have a Mg/Si ratio close to 1.
In Cu-containing Al-Mg-Si alloys, Cu first slows down the formation of solute clusters but
later promotes their subsequent growth. In Ge-containing Al-Mg-Si alloys, the natural ageing
kinetics are notably retarded by Ge compared to Si. All these effects are explained by the
interactions between vacancies and solute atoms or clusters.