Eine Vielzahl physikalischer Größen binärer und mehrkomponentiger Legierungsschmelzen weisen starke und zusammensetzungsabhängige Abweichungen vom idealen Lösungsverhalten auf, die anhand der in der Flüssigkeit eingestellten kurz- und mittelreichweitigen Ordnung plausibel erklärt werden können. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, anhand von Röntgen- und Neutronenstreuexperimenten die atomare Struktur ausgewählter Legierungsschmelzen zu beschreiben und in Relation zu in der Literatur vorgestellten Untersuchungen der thermophysikalischen Eigenschaften zu diskutieren. Die Resultate der Streuexperimente werden unter anderem durch die Anwendung von Assoziatvorstellungen interpretiert. Weiterführend nimmt die Bestimmung und Analyse partieller Strukturfaktoren und Paarverteilungsfunktionen einen besonderen Stellenwert ein. Binäre Ag-Cu Legierungsschmelzen sind chemisch ungeordnet, die Nahordnung wird praktisch ausschließlich durch topologische Effekte bestimmt. Dem stehen sowohl die halbleitenden As-Se-Legierungen, als auch die metallischen Cu-Ge-, Al-Ni- und Ni-Si- Legierungsschmelzen gegenüber, die eine zum Teil sehr ausgeprägte chemische Ordnung aufzeigen.

Das System Aluminium-Nickel besitzt als Modellsystem in der Wissenschaft sowie als ein Basissystem von sogenannten Superlegierungen in der Technik eine große Bedeutung. Aufgrund der hohen Liquidustemperaturen von bis zu 1638°C sind die thermophysikalischen Eigenschaften der Schmelzen bisher nur in den Randbereichen des Systems bekannt. Die Viskosität ist eine der thermophysikalischen Größen und sowohl von der Zusammensetzung als auch von der Temperatur abhängig. Sie besitzt eine große Bedeutung als Eingabeparameter für Simulationsrechnungen zur Erstarrung von Schmelzen sowie bei der Optimierung von Herstellungsprozessen metallischer Werkstoffe. Die Viskosität der Schmelzen im System Aluminium-Nickel wurde nach Kenntnis des Autors bisher nur einmal gemessen. Durch den vorliegenden Datensatz war jedoch nicht der gesamte Konzentrationsbereich im System Aluminium-Nickel abgedeckt. Besonders im Bereich der technologisch interessanten hochschmelzenden Legierungen bestanden Lücken. Mit bisherigen Viskosimetern war die Messung der Viskositäten im gesamten System nicht möglich, da die Liquidustemperaturen des Systems Aluminium-Nickel die maximalen Arbeitstemperaturen überstiegen. Im Rahmen der Arbeit wurde ein neues Schwingtiegelviskosimeter mit hängendem Tiegel konzipiert, aufgebaut und mit Viskositätsmessungen an reinen Metallen mit bekannter Viskosität bei Temperaturen bis 1800°C erfolgreich getestet. Mit weiteren Modifikationen sind mit dem neu aufgebauten Viskosimeter Temperaturen bis 2300°C erreichbar. Für den Betrieb des Viskosimeters wurde ein umfangreiches Mess- und Steuerprogramm entwickelt sowie erfolgreich getestet. Zur Berechnung der Viskosität wurden im Messprogramm verschiedene Arbeitsgleichungen implementiert. Für die Detektion der Schwingung des Torsionspendels wurde ebenfalls eine neue Methode angewendet, die eine quasikontinuierliche und damit genauere Messung Erfassung der Schwingung erlaubt. Die Viskosität der Schmelzen des Systems Aluminium-Nickel konnte erfolgreich bestimmt werden, womit experimentelles Neuland betreten wurde. Die gemessenen Verläufe zeigen eine gute Übereinstimmung mit den wenigen bekannten Daten zur Viskosität von Aluminium-Nickel Schmelzen. Ebenso gut ist die Übereinstimmung mit wenigen weiteren vorhandenen Messdaten der Diffusionskonstanten sowie mit Daten aus Computersimulationen. Mit verschiedenen Modellen zur Vorhersage der Viskosität von Legierungen wurden Viskositätsverläufe im System Aluminium-Nickel berechnet. Der Vergleich mit den Messdaten hat gezeigt, dass nur wenige der Modelle zur Vorhersage der Viskosität im System Aluminium-Nickel geeignet sind. / The system aluminium-nickel is of importance as a model-system in materials science as well as a basic system for superalloys in technical applications. The knowledge of the thermophysical properties of the system aluminium-nickel has been limited to the areas close to the pure elements mainly related to the high melting temperatures of up to 1638°C. The viscosity, which is one of these thermophysical properties, depends on alloy composition as well as on temperature. The viscosity is of importance as an input parameter in computer simulations and for improving casting processes of metallic alloys. The viscosity of aluminium-nickel melts has been measured only once so far. However, not the whole concentration range of the aluminium-nickel system was covered by these data. In particular the viscosity values of the high melting alloys, which are of technological interest, were unknown. The measurement of the missing values was not possible due to the high melting temperatures using existing viscometers. A new oscillating cup viscometer has been constructed within this work. The viscometer has been tested measuring the viscosity values of pure metals, which are well known in literature. The test measurements have been done at temperatures up to 1800°C. A temperature of 2300°C is achievable with slight modifications. A new software for controlling the device and evaluation of the measured data has been developed. Several working equations for calculating the viscosity have been implemented. Furthermore a new approach has been used for detecting the damping of the oscillation of the pendulum containing the liquid sample. The viscosity of aluminium-nickel melts have been measured successfully. The measured values are in good agreement with the little number of known values. A good agreement with values calculated from diffusion experiments and computer simulations was observed as well. Several models for calculating the viscosity of liquid alloys have been tested and compared with the experimental values measured in this work. Not all the tested models can predict the viscosity values of aluminium-nickel melts plausibly.

Das System Aluminium-Nickel besitzt als Modellsystem in der Wissenschaft sowie als ein Basissystem von sogenannten Superlegierungen in der Technik eine große Bedeutung. Aufgrund der hohen Liquidustemperaturen von bis zu 1638°C sind die thermophysikalischen Eigenschaften der Schmelzen bisher nur in den Randbereichen des Systems bekannt. Die Viskosität ist eine der thermophysikalischen Größen und sowohl von der Zusammensetzung als auch von der Temperatur abhängig. Sie besitzt eine große Bedeutung als Eingabeparameter für Simulationsrechnungen zur Erstarrung von Schmelzen sowie bei der Optimierung von Herstellungsprozessen metallischer Werkstoffe. Die Viskosität der Schmelzen im System Aluminium-Nickel wurde nach Kenntnis des Autors bisher nur einmal gemessen. Durch den vorliegenden Datensatz war jedoch nicht der gesamte Konzentrationsbereich im System Aluminium-Nickel abgedeckt. Besonders im Bereich der technologisch interessanten hochschmelzenden Legierungen bestanden Lücken. Mit bisherigen Viskosimetern war die Messung der Viskositäten im gesamten System nicht möglich, da die Liquidustemperaturen des Systems Aluminium-Nickel die maximalen Arbeitstemperaturen überstiegen. Im Rahmen der Arbeit wurde ein neues Schwingtiegelviskosimeter mit hängendem Tiegel konzipiert, aufgebaut und mit Viskositätsmessungen an reinen Metallen mit bekannter Viskosität bei Temperaturen bis 1800°C erfolgreich getestet. Mit weiteren Modifikationen sind mit dem neu aufgebauten Viskosimeter Temperaturen bis 2300°C erreichbar. Für den Betrieb des Viskosimeters wurde ein umfangreiches Mess- und Steuerprogramm entwickelt sowie erfolgreich getestet. Zur Berechnung der Viskosität wurden im Messprogramm verschiedene Arbeitsgleichungen implementiert. Für die Detektion der Schwingung des Torsionspendels wurde ebenfalls eine neue Methode angewendet, die eine quasikontinuierliche und damit genauere Messung Erfassung der Schwingung erlaubt. Die Viskosität der Schmelzen des Systems Aluminium-Nickel konnte erfolgreich bestimmt werden, womit experimentelles Neuland betreten wurde. Die gemessenen Verläufe zeigen eine gute Übereinstimmung mit den wenigen bekannten Daten zur Viskosität von Aluminium-Nickel Schmelzen. Ebenso gut ist die Übereinstimmung mit wenigen weiteren vorhandenen Messdaten der Diffusionskonstanten sowie mit Daten aus Computersimulationen. Mit verschiedenen Modellen zur Vorhersage der Viskosität von Legierungen wurden Viskositätsverläufe im System Aluminium-Nickel berechnet. Der Vergleich mit den Messdaten hat gezeigt, dass nur wenige der Modelle zur Vorhersage der Viskosität im System Aluminium-Nickel geeignet sind. / The system aluminium-nickel is of importance as a model-system in materials science as well as a basic system for superalloys in technical applications. The knowledge of the thermophysical properties of the system aluminium-nickel has been limited to the areas close to the pure elements mainly related to the high melting temperatures of up to 1638°C. The viscosity, which is one of these thermophysical properties, depends on alloy composition as well as on temperature. The viscosity is of importance as an input parameter in computer simulations and for improving casting processes of metallic alloys. The viscosity of aluminium-nickel melts has been measured only once so far. However, not the whole concentration range of the aluminium-nickel system was covered by these data. In particular the viscosity values of the high melting alloys, which are of technological interest, were unknown. The measurement of the missing values was not possible due to the high melting temperatures using existing viscometers. A new oscillating cup viscometer has been constructed within this work. The viscometer has been tested measuring the viscosity values of pure metals, which are well known in literature. The test measurements have been done at temperatures up to 1800°C. A temperature of 2300°C is achievable with slight modifications. A new software for controlling the device and evaluation of the measured data has been developed. Several working equations for calculating the viscosity have been implemented. Furthermore a new approach has been used for detecting the damping of the oscillation of the pendulum containing the liquid sample. The viscosity of aluminium-nickel melts have been measured successfully. The measured values are in good agreement with the little number of known values. A good agreement with values calculated from diffusion experiments and computer simulations was observed as well. Several models for calculating the viscosity of liquid alloys have been tested and compared with the experimental values measured in this work. Not all the tested models can predict the viscosity values of aluminium-nickel melts plausibly.

Eine Vielzahl physikalischer Größen binärer und mehrkomponentiger Legierungsschmelzen weisen starke und zusammensetzungsabhängige Abweichungen vom idealen Lösungsverhalten auf, die anhand der in der Flüssigkeit eingestellten kurz- und mittelreichweitigen Ordnung plausibel erklärt werden können. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, anhand von Röntgen- und Neutronenstreuexperimenten die atomare Struktur ausgewählter Legierungsschmelzen zu beschreiben und in Relation zu in der Literatur vorgestellten Untersuchungen der thermophysikalischen Eigenschaften zu diskutieren. Die Resultate der Streuexperimente werden unter anderem durch die Anwendung von Assoziatvorstellungen interpretiert. Weiterführend nimmt die Bestimmung und Analyse partieller Strukturfaktoren und Paarverteilungsfunktionen einen besonderen Stellenwert ein. Binäre Ag-Cu Legierungsschmelzen sind chemisch ungeordnet, die Nahordnung wird praktisch ausschließlich durch topologische Effekte bestimmt. Dem stehen sowohl die halbleitenden As-Se-Legierungen, als auch die metallischen Cu-Ge-, Al-Ni- und Ni-Si- Legierungsschmelzen gegenüber, die eine zum Teil sehr ausgeprägte chemische Ordnung aufzeigen.

Zu Beginn der Arbeit werden thermodynamische, strukturelle und statistische Grundlagen und Modelle wiedergegeben, die einerseits Entmischungssysteme und andererseits flüssige Ober- und Grenzflächen betreffen. Hieran schließt sich eine umfangreiche Darstellung der Meßmethode an, die die theoretischen Zusammenhänge für die Beschreibung der Formen flüssiger Grenzflächen sowie eine Darstellung aller experimentell möglichen Kraftmeßkurven und deren Auswertung beinhaltet. Weiterhin folgt die Darstellung der Dichte-, Dichtedifferenz-, und Grenzflächenspannungsmeßergebnisse separat für die Systeme Ga-Hg, Ga-Pb, Al-Pb und Al-In. Die Temperaturabhängigkeit und die Absolutwerte der Grenzflächenspannung werden mit den vorgestellten Modellen verglichen. Im Anschluß daran werden die Oberflächenspannungsmeßergebnisse für das System Ga-Pb vorgestellt, dies geschieht unter Bezugnahme auf Benetzungsphänomene, Adsorptionserscheinungen und Keimbildungsprozesse. In einem relativ selbständigen Kapitel am Ende der Arbeit werden experimentelle Ergebnisse zur Durchmischung und Entmischung wiedergegeben und mit theoretischen Ergebnissen zum diffusionsgesteuerten Durchmischungsprozeß verglichen.

The influence of disorder is an important area in materials research. A supersaturated solid solution is in a metastable state, in which the host lattice is forced to solve guest atoms over the thermodynamical stability limit. The guest atoms are point defects, which amount can be varied by changing the concentration. The increasing amount of point defects makes the lattice unstable against schare, which may ends up in an order-disorder transition. In this work especially the lattice dynamics was studied at the atomic level by means of inelastic neutron scattering. In case of both studied systems (ZrAl, CuFe) a softening of especially the tranverse phonons could be shown, which supports the existing theory. / Der Einfluß von Unordnung ist ein wichtiges Forschungsgebiet der Materialwissenschaft. Bei übersättigten festen Lösungen handelt es sich um einen metastabilen Zustand, bei dem das Wirtsgitter gezwungen ist, mehr Fremdatome aufzunehmen, als thermodynamisch stabil ist. Die Fremdatome im Wirtsgitter sind Punktdefekte, deren Menge mit der Konzentration variiert werden kann. Die Zunahme substitutionaler Defekte bewirkt eine Gitterinstabilität gegenüber Scherkräften und anschliessend möglicherweise einen Ordnungs - Unordnungs - Übergang. In dieser Arbeit wurden vor allem dynamische Aspekte betrachtet: die Gitterdynamik wurde auf atomarer Ebene mittels inelastischer Neutronenstreuung untersucht. Bei beiden untersuchten Systemen (ZrAl, CuFe) konnte ein Weichwerden (softening) von Phononen beobachtet werden, insbesondere von transversalen Moden, die einen direkten Nachweis der oben erwähnten Gitterinstabilität ergeben.

Zu Beginn der Arbeit werden thermodynamische, strukturelle und statistische Grundlagen und Modelle wiedergegeben, die einerseits Entmischungssysteme und andererseits flüssige Ober- und Grenzflächen betreffen. Hieran schließt sich eine umfangreiche Darstellung der Meßmethode an, die die theoretischen Zusammenhänge für die Beschreibung der Formen flüssiger Grenzflächen sowie eine Darstellung aller experimentell möglichen Kraftmeßkurven und deren Auswertung beinhaltet. Weiterhin folgt die Darstellung der Dichte-, Dichtedifferenz-, und Grenzflächenspannungsmeßergebnisse separat für die Systeme Ga-Hg, Ga-Pb, Al-Pb und Al-In. Die Temperaturabhängigkeit und die Absolutwerte der Grenzflächenspannung werden mit den vorgestellten Modellen verglichen. Im Anschluß daran werden die Oberflächenspannungsmeßergebnisse für das System Ga-Pb vorgestellt, dies geschieht unter Bezugnahme auf Benetzungsphänomene, Adsorptionserscheinungen und Keimbildungsprozesse. In einem relativ selbständigen Kapitel am Ende der Arbeit werden experimentelle Ergebnisse zur Durchmischung und Entmischung wiedergegeben und mit theoretischen Ergebnissen zum diffusionsgesteuerten Durchmischungsprozeß verglichen.

The influence of disorder is an important area in materials research. A supersaturated solid solution is in a metastable state, in which the host lattice is forced to solve guest atoms over the thermodynamical stability limit. The guest atoms are point defects, which amount can be varied by changing the concentration. The increasing amount of point defects makes the lattice unstable against schare, which may ends up in an order-disorder transition. In this work especially the lattice dynamics was studied at the atomic level by means of inelastic neutron scattering. In case of both studied systems (ZrAl, CuFe) a softening of especially the tranverse phonons could be shown, which supports the existing theory. / Der Einfluß von Unordnung ist ein wichtiges Forschungsgebiet der Materialwissenschaft. Bei übersättigten festen Lösungen handelt es sich um einen metastabilen Zustand, bei dem das Wirtsgitter gezwungen ist, mehr Fremdatome aufzunehmen, als thermodynamisch stabil ist. Die Fremdatome im Wirtsgitter sind Punktdefekte, deren Menge mit der Konzentration variiert werden kann. Die Zunahme substitutionaler Defekte bewirkt eine Gitterinstabilität gegenüber Scherkräften und anschliessend möglicherweise einen Ordnungs - Unordnungs - Übergang. In dieser Arbeit wurden vor allem dynamische Aspekte betrachtet: die Gitterdynamik wurde auf atomarer Ebene mittels inelastischer Neutronenstreuung untersucht. Bei beiden untersuchten Systemen (ZrAl, CuFe) konnte ein Weichwerden (softening) von Phononen beobachtet werden, insbesondere von transversalen Moden, die einen direkten Nachweis der oben erwähnten Gitterinstabilität ergeben.

Der Einfluss der d-Zustände der Übergangsmetalle auf die Strukturbildung in amorphen Legierungen ist bisher nur unzureichend verstanden. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, zusätzliche Beiträge zum Verständnis am Beispiel binärer amorpher Aluminiumlegierungen mit Übergangsmetallen zu erarbeiten. Speziell standen dabei Legierungen mit einer Untergruppe der Übergangsmetalle, den Metallen der Seltenen Erden, im Vordergrund. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Schichten von Al-Ce im Bereich von 15at%Ce-80at%Ce durch sequentielle Flash-Verdampfung bei 4,2K im Hochvakuum hergestellt und durch Messungen des elektrischen Widerstands und des Hall-Effekts elektronisch, sowie durch Transmissionselektronenbeugung strukturell charakterisiert. Ergänzend wurden Untersuchungen der Plasmaresonanz mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie durchgeführt. Im Bereich 25at%Ce-60at%Ce entstanden homogen amorphe Proben. Besonders die Strukturuntersuchungen wurden durch eine Oxidation des Materials erschwert. Der Einfluss der Ce-4f-Elektronen manifestiert sich vor allem im Tieftemperatur- und Magnetowiderstand, die beide vom Kondo-Effekt dominiert werden. Der Hall-Effekt in Al-Ce wird im gesamten untersuchten Temperaturbereich (2K-320K) von anomalen Anteilen dominiert, welche skew-scattering-Effekten, ebenfalls aufgrund der Ce-4f-Elektronen, zugeschrieben werden. Bis hinunter zu 2K trat keine makroskopische magnetische Ordnung auf. Im Bereich 2K-20K wird auf das Vorliegen von Clustern geordneter magnetischer Momente geschlossen. Für T>20K tritt paramagnetisches Verhalten auf. Hinsichtlich der strukturellen und elektronischen Eigenschaften lässt sich a-Al-Ce in eine Gruppe mit a-Al-(Sc,Y,La) einordnen. Im Sinne der Plasmaresonanz ordnet sich a-Al-Ce exzellent in eine von anderen Al-Übergangsmetalllegierungen bekannte Systematik ein. Weiterhin wurde, durch Hinzunahme von Ergebnissen zu binären amorphen Al-Übergangsmetalllegierungen aus der Literatur, gefunden, dass die Strukturbildung in diesen Systemen eng mit einem bekannten, jedoch noch ungeklärtem Strukturbildungseffekt verknüpft ist, der in flüssigen reinen Elementen auftritt. Dieser hat dort zum Ziel, eine Resonanz zwischen der statischen Struktur und dem elektronischen System aufzubauen, die mit einer mittleren Valenz von 1,5 Elektronen pro Atom verknüpft ist. Speziell die Strukturen der untersuchten amorphen Al-Seltenerdlegierungen sind über große Konzentrationsbereiche ebenfalls mit einer mittleren Valenz von 1,5 Elektronen pro Atom korreliert.

Der Einfluss der d-Zustände der Übergangsmetalle auf die Strukturbildung in amorphen Legierungen ist bisher nur unzureichend verstanden. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, zusätzliche Beiträge zum Verständnis am Beispiel binärer amorpher Aluminiumlegierungen mit Übergangsmetallen zu erarbeiten. Speziell standen dabei Legierungen mit einer Untergruppe der Übergangsmetalle, den Metallen der Seltenen Erden, im Vordergrund. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Schichten von Al-Ce im Bereich von 15at%Ce-80at%Ce durch sequentielle Flash-Verdampfung bei 4,2K im Hochvakuum hergestellt und durch Messungen des elektrischen Widerstands und des Hall-Effekts elektronisch, sowie durch Transmissionselektronenbeugung strukturell charakterisiert. Ergänzend wurden Untersuchungen der Plasmaresonanz mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie durchgeführt. Im Bereich 25at%Ce-60at%Ce entstanden homogen amorphe Proben. Besonders die Strukturuntersuchungen wurden durch eine Oxidation des Materials erschwert. Der Einfluss der Ce-4f-Elektronen manifestiert sich vor allem im Tieftemperatur- und Magnetowiderstand, die beide vom Kondo-Effekt dominiert werden. Der Hall-Effekt in Al-Ce wird im gesamten untersuchten Temperaturbereich (2K-320K) von anomalen Anteilen dominiert, welche skew-scattering-Effekten, ebenfalls aufgrund der Ce-4f-Elektronen, zugeschrieben werden. Bis hinunter zu 2K trat keine makroskopische magnetische Ordnung auf. Im Bereich 2K-20K wird auf das Vorliegen von Clustern geordneter magnetischer Momente geschlossen. Für T>20K tritt paramagnetisches Verhalten auf. Hinsichtlich der strukturellen und elektronischen Eigenschaften lässt sich a-Al-Ce in eine Gruppe mit a-Al-(Sc,Y,La) einordnen. Im Sinne der Plasmaresonanz ordnet sich a-Al-Ce exzellent in eine von anderen Al-Übergangsmetalllegierungen bekannte Systematik ein. Weiterhin wurde, durch Hinzunahme von Ergebnissen zu binären amorphen Al-Übergangsmetalllegierungen aus der Literatur, gefunden, dass die Strukturbildung in diesen Systemen eng mit einem bekannten, jedoch noch ungeklärtem Strukturbildungseffekt verknüpft ist, der in flüssigen reinen Elementen auftritt. Dieser hat dort zum Ziel, eine Resonanz zwischen der statischen Struktur und dem elektronischen System aufzubauen, die mit einer mittleren Valenz von 1,5 Elektronen pro Atom verknüpft ist. Speziell die Strukturen der untersuchten amorphen Al-Seltenerdlegierungen sind über große Konzentrationsbereiche ebenfalls mit einer mittleren Valenz von 1,5 Elektronen pro Atom korreliert.