Ce travail porte sur l'élaboration et l'analyse du comportement mécanique d'alliages à distribution bimodale de taille de grains. Les applications concernent les aciers inoxydables austénitiques 304L et 316L. Une approche couplée expérience-modélisation est menée pour comprendre les réponses mécaniques macroscopiques et locales de ces nouveaux alliages en se basant notamment sur l'étude des mécanismes de déformation associés. L'utilisation de deux voies d'élaboration et l'optimisation de leurs paramètres a conduit à l'obtention d'un large choix d'échantillons avec différentes distributions bimodales et différentes proportions de chaque famille de taille de grains. L'influence de ces caractéristiques microstructurales sur le comportement a été analysée sur la base d'essais en traction simple sous chargement monotone ou en charges-décharges alternées. Une base de données étendue de propriétés a ainsi été constituée et des éléments de réponse concernant les mécanismes de déformation propres aux alliages bimodaux ont pu être apportés. La présence de grains de taille conventionnelle (Coarse Grain -CG) au sein d'une matrice à grains ultrafins (UltraFine Grain - UFG) semble favoriser la relaxation d'une partie des contraintes internes de la matrice et tend ainsi à retarder l'endommagement des alliages bimodaux en comparaison aux alliages unimodaux à grains ultrafins. Une modélisation à champs complets selon deux lois de plasticité cristalline tenant compte explicitement d'une longueur interne a été proposée. Sa première motivation est de fournir un outil de prédiction du comportement effectif des alliages bimodaux en fonction de leurs caractéristiques microstructurales. Elle donne par ailleurs accès aux champs locaux et permet d'appuyer les analyses expérimentales en partition des contraintes en montrant à la fois une relaxation partielle des contraintes dans la matrice UFG mais aussi des concentrations de contrainte aux interfaces CG/UFG. / This work is focused on the elaboration and the mechanical behaviour of 304L and 316L austenitic stainless steel alloys with bimodal grain size distribution. The complementary approach between experiments and modelling enables a better understanding of both macroscopic and local mechanical responses and also of the associated deformation mechanisms.The use of two elaboration routes and optimized process parameters results in a wide range of samples with different bimodal grain size distributions. Grain sizes and fractions of each population are modified in order to study the influence of these microstructural characteristics on mechanical behavior. Uniaxial tensile tests are used to realize a database of mechanical properties of bimodal alloys and loading-unloading tests provides valuable informations about deformation mechanisms in these materials. With coarse grains (CG) embedded in an ultrafine grained (UFG) matrix, a relaxation of a part of the internal stresses seems to take place and leads to a delayed embrittlement of bimodal alloys as compared to their unimodal counterparts. Full-field modelling, based on two crystal plasticity laws with an explicit account of an internal length, is proposed. It constitutes a valuable prediction tool of effective properties of bimodal alloys in order, in particular, to study the effect of several microstructural characteristics. An access to local fields is also possible and tend, so far, to show similar results compared to experimental ones : stress relaxation is observed in the UFG matrix as well as stress concentrations at the CG/UFG interfaces.

Ion irradiation of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin films induces a carbon phase transformation from the electrically insulating sp3 hybridization into the conducting sp2 hybridization. In this work, a detailed study on the electrical resistivity and the microstructure of areas, irradiated with several ion species at 30 keV energy is presented. Continuous ion bombardment yields a drastic drop of the resistivity as well as significant structural modifications of the evolving sp2 carbon phase. It is shown that the resistivity lowering can be attributed to the degree of graphitization in the film. Furthermore, the structural ordering processes are correlated with the ion deposited energy density. It is therefore revealed that the ion-induced phase transformation in ta-C films is a combination of sp3-to-sp2 conversion of carbon atoms and ion-induced ordering of the microstructure into a more graphite-like arrangement. All experiments were done with focused ion beam (FIB) systems by applying FIB lithography of electrical van-der-Pauw test structures. FIB lithography on ta-C layers is presented as a fast and easy technique for the preparation of electrically active micro- and nanostructures in an insulating carbon matrix.:Contents List of Figures iii List of Tables v List of Abbreviations vii 1. Introduction 1 2. Fundamentals 5 2.1. Ion-solid interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1. Scattering and stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2. Ion range distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3. Target modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4. Thermal driven segregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2. Focused ion beams (FIBs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1. Commercial gallium FIB (Ga + -FIB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2. Mass-separated FIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3. Tetrahedral amorphous carbon (ta-C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.1. Composition, microstructure and film properties . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.2. Growth mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3.3. Electronic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3. Experimental 39 3.1. Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2. Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4. Ion induced surface swelling 43 4.1. Fluence and energy dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2. Calculations of the swelling height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5. Electrical properties of irradiated ta-C 55 5.1. Electrical resistivity of as-implanted ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.1.1. Resistance of Ga + implanted micropatterns . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.1.2. Sheet resistance of Ga + irradiated ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1.3. Determination of the sp 3 content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.1.4. The effect of different ion species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.1.5. Low temperature resistivity – The peculiarity of gallium . . . . . . . . . . 71 5.2. The effect of annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3. Irradiation at elevated substrate temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6. The microstructure of irradiated ta-C 87 6.1. Raman investigations of ion irradiated ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.1. Fundamentals of Raman spectroscopy on amorphous carbon . . . . . . . . 88 6.1.2. Raman spectra of as-implanted ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.1.3. Thermally driven graphitization of the microstructure . . . . . . . . . . . 98ii Contents 6.1.4. The correlation between microstructure and resistivity . . . . . . . . . . . 101 6.2. TEM investigations of ion irradiated ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7. FIB lithography on ta-C layers 107 7.1. Graphitic nanowires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.1.1. Nanowire dimensions – The resolution of FIB lithography . . . . . . . . . 108 7.1.2. Nanowire resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.2. Electrical insulation between conducting structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8. Conclusions and Outlook 117 A. Gallium nanoparticles on ta-C layers 121 Bibliography 123

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Verarbeitung und Gefüge Mn-Al basierter hartmagnetischer Werkstoffe sowie die Auswirkung des Gefüges auf deren Eigenschaften. Dabei wurde das Gefüge der metastabilen tau-Phase im Anschluss an die Phasenbildung aus der Hochtemperaturphase epsilon-MnAl und die Auswirkung einer anschließenden Umformung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Analyse der Evolution verschiedener Gefügebestandteile, wie Grenzflächenverteilung, Versetzungen und Korngröße unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung. Die epsilon-tau Umwandlung kann auf 2 verschiedene Routen erfolgen. In beiden Fällen wird die Bildung von 3 kristallographisch unterschiedlichen zwillingsähnlichen Defekten beobachtet, die als wahre Zwillinge, Ordnungszwillinge und Pseudozwillinge bezeichnet werden. Sie lassen sich als Rotationen um einen kristallographischen {111}-Pol beschreiben. Der Anteil der Zwillingsdefekte nach der Umwandlung, aber auch die Korngröße und Versetzungsdichte sind von der gewählten Umwandlungsroute abhängig. Während die Sättigungspolarisation annähernd gleich ist, reagiert die Koerzitivfeldstärke sensitiv auf den Gefügezustand. Eine niedrige Korngröße und hohe Versetzungsdichte tragen zu ihrer Erhöhung bei. Eine anschließende Kaltumformung erzeugt ein vielfach verzwillingtes Verformungsgefüge mit hoher Koerzitivfeldstärke. Wärmebehandlungen und die Analyse der Schärfe von Kikuchi-Beugungsbildern haben gezeigt, dass nicht die hohe Zwillingsdichte, sondern primär Versetzungen im Verformungsgefüge die Koerzitivfeldstärke steigern. Warmumformung von tau-MnAl führt zur dynamischen Rekristallisation. Die Kinetik der Gefügeneubildung und die resultierende Korngröße sind stark von der Umformtemperatur abhängig. Durch Umformung lässt sich eine kristallographische Texturierung von tau-MnAl erreichen. Die Orientierung der magnetisch leichten [001]-Richtung ist dabei vom gewählten Umformverfahren und gegebenenfalls von der Nachbehandlung abhängig. Statische und dynamische Rekristallisation reduzieren den Anteil der Zwillingsdefekte signifikant und besonders Pseudozwillinge und Ordnungszwillinge werden im Gefüge beseitigt. Das Rekristallisationsgefüge weist gegenüber dem Umwandlungsgefüge einen geringeren Widerstand gegen die mit der Zersetzungsreaktion verbundene Bildung von beta-Mn auf. Die Ursache liegt in einer selektiven beta-Mn-Bildung an allgemeinen Korngrenzen, während die Zwillingsdefekte einen erhöhten Widerstand gegen sie Zersetzung aufweisen.

<p></p><p>Global demand for high performance, low cost, and eco-friendly electronics is ever increasing. Ion/charge transport ability and mechanical adaptability constitute two critical performance metrics of battery and semiconductor materials, which are fundamentally correlated with their structural dynamics under various operating conditions. It is imperative to reach the mechanistic understanding of the structure-property relationships of electronic materials to develop principles of materials design. Nevertheless, the intricate atomic structure and elusive phase behaviors in the operation of devices challenge direct experimental observations. Herein, we employ a spectrum of modeling methods, including quantum chemistry, ab-initio modeling, and molecular dynamics simulation, to systematically study the phase dynamics and physico-mechanical behaviors of multiple electronic materials, ranging from transition-metal cathodes, polymer derived ceramics anodes, to organic semiconductor crystals. The multiscale atomistic modeling enriches the fundamental understanding of the electro-chemo-mechanical behaviors of battery materials, which provides insight on designing state-of-the-art energy materials with high capacity and high structural stability. By leveraging the genetic-algorithm refined molecular modeling and phase transformation theory, we unveil the molecular mechanisms of thermo-, super- and ferroelastic transition in organic semiconductor crystals, thus promoting new avenues of adaptive organic electronics by molecular design. Furthermore, the proposed computational methodologies and theoretical frameworks throughout the thesis can find use in exploring the phase dynamics in a variety of environmentally responsive electronics.</p><p></p>

A compositionally graded Ti-xCr (10≤x≤30 wt%) alloy has been fabricated using Laser Engineered Net Shaping (LENSTM) to study the microstructural phase evolution along a compositional gradient in both as-deposited and heat treated conditions (1000°C followed by furnace cooling or air cooling). The alloys were characterized by SEM BSE imaging, XRD, EBSD, TEM and micro-hardness measurements to determine processing-structure-property relations. For the as-deposited alloy, α-Ti, β-Ti, and TiCr2 (C15 Laves) phases exist in varying phase fractions, which were influential in determining hardness values. With the furnace cooled alloy, there was more homogeneous nucleation of α phase throughout the sample with a larger phase fraction of TiCr2 resulting in increased hardness values. When compared to the air cooled alloy, there was absence of wide scale nucleation of α phase and formation of ω phase within the β phase due to the quicker cooling from elevated temperature. At lower concentrations of Cr, the kinetics resulted in a diffusionless phase transformation of ω phase with increased hardness and a lower phase fraction of TiCr2. In contrast at higher Cr concentrations, α phase separation reaction occurs where the β phase is spinodally decomposed to Cr solute-lean β1 and solute-rich β2 resulting in reduced hardness.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Background: Elucidating the lithium disilicate system like the popular IPS e.max® CAD (LS2), made specifically for Computer-Aided Design and Computer-Aided Manufacturing (CAD-CAM), as a function of temperature unravels new ways to enhance material properties and performance. Objective: To study the effect of various thermal processing on the crystallization kinetics, crystallite microstructure, and strength of LS2. Methods: The control group of the LS2 samples was heated using the standard manufacturer heating-schedule. Two experimental groups were tested: (1) an extended temperature range (750-840 °C vs. 820-840 °C) at the segment of 30 °C/min heating rate, and (2) a protracted holding time (14 min vs. 7 min) at the isothermal temperature of 840 °C. Five other groups of different heating schedules with lower-targeted temperatures were evaluated to investigate the microstructural changes. For each group, the crystalline phases and morphologies were measured by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) respectively. Differential scanning calorimeter (DSC) was used to determine the activation energy of LS2 under non-isothermal conditions. A MTS universal testing machine was used to measure 3-point flexural strength and fracture toughness, and elastic modulus and hardness were measured by the MTS Nanoindenter® XP. A one-way ANOVA/Tukey was performed per property (alpha = 0.05). Results: DSC, XRD, and SEM revealed three distinct microstructures during LS2 crystallization. Significant differences were found between the control group, the two aforementioned experimental groups, and the five lower-targeted-temperature groups per property (p<0.05). The activation energy for lithium disilicate growth was 667.45 (± 28.97) KJ/mole. Conclusions: Groups with the extended temperature range (750-840 °C) and protracted holding time (820-840 °C H14) produced significantly higher elastic-modulus and hardness properties than the control group but showed similar significant flexural-strength and fracture-toughness properties with the control group. In general, explosive growth of lithium disilicates occurred only when maximum formation of lithium metasilicates had ended.

Im binären Mn-Ga-System wurde für Legierungen mit 55 at.% bis 65 at.% Mangan die Phasenbildung der L10-Phase mit Röntgenbeugung und Differenzialkalorimetrie untersucht. Nach der Herstellung der L10-Phase in allen Legierungen erfolgte eine Untersuchung der intrinsischen magnetischen Eigenschaften. Die Mn55Ga45-Legierung zeigte dabei die höchste Sättigungsmagnetisierung mit µ0Ms = 0,81 T. Für diese Legierung erfolgten deshalb Versuche zur Verbesserung der extrinsischen Eigenschaften. Dazu wurden Pulver gemahlen und die Möglichkeit der Ausrichtung im Magnetfeld untersucht. Dabei konnte ein Texturgrad von 0,45 für Pulver mit einer Partikelgröße kleiner 10 µm erreicht und die Koerzitivfeldstärke um das 7-fache gegenüber der Volumenprobe erhöht werden. Weiterhin konnten die Pulverproben durch Heißkompaktieren bei 400 °C erneut zu einer Volumenprobe gepresst werden. Die dabei erhaltene Probe besitzt eine Koerzitivfeldstärke von 0,16 T und eine leicht reduzierte Sättigungsmagnetisierung auf Grund einer Packungsdichte von 83 %. Im ternären Mn-Al-Ga-System wurden Proben der Sollzusammensetzung Mn55Al45-xGax mit 5,625 < x < 22,5 hergestellt. Für Legierungen mit x >= 11,86 erwies sich eine Wärmebehandlung bei 600°C für 24 Stunden als ausreichend die reine L10-Phase zu erzeugen. Bei den Legierungen mit einem geringeren Ga-Anteil war eine zweistufige Wärmebehandlung notwendig, um ausschließlich L10 zu erhalten. Nach der ersten Wärmebehandlung bei 1100 °C entstand ein Phasengemisch aus gamma2 und L10(epsilon). Letzteres wurde aus der epsilon-Hochtemperaturphase gebildet. Durch die anschließende Wärmebehandlung bei 500 °C für 24 Stunden konnte die verbleibende gamma2-Phase in L10(gamma2) umgewandelt werden. Untersuchungen der lokalen Legierungszusammensetzung ergaben einen geringeren Mn-Anteil der L10(gamma2)-Phase im Vergleich zu L10(epsilon). Die Unterschiede in den zwei L10-Phasen konnten weiterhin durch eine Reflexaufspaltung in den Röntgenbeugungsaufnahmen sowie der Existenz zweier Curie-Temperaturen bestätigt werden. Die gemessenen Sättigungsmagnetisierungen ergaben eine Superposition beider Phasen und einen maximalen Wert von µ0Ms = 0,85 T. Untersuchungen der thermischen Stabilität der L10-Phasen bei 700 °C zeigten, dass die L10(gamma2)-Phase thermisch stabil ist und sich die L10(epsilon)-Phase langsam in beta-Mn und gamma2 zersetzt. Bei der Zersetzung war im Vergleich zum binären Mn-Al-System eine starke Steigerung der thermischen Stabilität durch die Substitution geringer Mengen Galliums zu erkennen. Über die zersetzungsbedingte Reduktion der Magnetisierung konnten Abschätzungen der Zersetzungskinetik getroffen werden.

Die Verstärkung von Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen kann durch die Integration von Hartphasenpartikeln in die Matrix erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung der Komposite ist abhängig davon, wie die Verstärkungsphase die einwirkenden Kräfte aufnehmen kann und zudem von den Auswirkungen der Verstärkungsphase auf das Werkstoffgefüge. Die Verfestigung wird zurückgeführt auf Versetzungsmultiplikation, Matrixpartitionierung und Orowan-Verstärkungseffekte. Die Festigkeit steigt durch Erhöhung des Volumenanteils der Verstärkungsphase sowie durch die Reduktion der Größe der Verstärkungsphase. Darüber hinaus kann die Festigkeitssteigerung von Verbundwerkstoffen durch eine Gefügemodifikation verbunden mit einer Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung kann auch durch die Schaffung harmonischer Strukturen, d.h. durch ein bimodales Gefüge, erfolgen. Dieses wird erzeugt durch kontrolliertes Mahlen der partikelförmigen Precursor-Phase, die dann aus grobkörnigen Kerngebieten bestehen, eingebettet in eine kontinuierliche feinkörnige Matrix. In dieser Arbeit werden Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis durch Hochenergiemahlen und anschließender Konsolidierung durch Heißpressen hergestellt. Ausgehend von der in-situ Herstellung intermetallischer Verstärkungsphasen in Al-Mg-Verbundwerkstoffen werden außerdem in-situ Gefügemodifikationen in Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffen betrachtet. Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffe mit harmonischer Struktur konnten dabei erfolgreich hergestellt werden. Anschließend wurde der Einfluss der mikrostrukturellen Veränderungen auf die mechanischen Eigenschaften analysiert. Al-Mg-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe werden aus den Pulvergemischen von elementarem Aluminium und Magnesium durch druckunterstütztes reaktives Sintern hergestellt. Das Ziel ist es, den Einfluss des anfänglichen Volumenanteils von Magnesium auf die mikrostrukturellen Veränderungen und die Entstehung der in-situ intermetallischen Verstärkungsphase zu analysieren. Zudem wird der Einfluss der Reaktion zwischen Aluminium und Magnesium und die damit verbundene Bildung der intermetallischen Phasen β-Al3Mg2 und γ-Al12Mg17 auf die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe untersucht. Die Bildung der intermetallischen Phasen verbraucht zunehmend Aluminium und Magnesium und bewirkt eine Verfestigung der Verbundwerkstoffe: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit steigen mit zunehmendem Gehalt an intermetallischer Verstärkungsphase auf Kosten der plastischen Verformung. In der nächsten Phase wird im Al-Fe3Al-System die Wirksamkeit der Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase als festigkeitssteigernde Maßnahme zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften untersucht. Dafür werden transformierte und nicht-transformierte Verbundwerkstoffe durch Heißpressen bei unterschiedlichen Temperaturen hergestellt. Phasenanalyse und mikrostrukturelle Charakterisierung der transformierten Verbundwerkstoffe zeigten die Bildung der intermetallischen Phasen Al5Fe2 und Al13Fe4, die als Verstärkungsphase mantelförmig um die die Fe3Al-Phase angeordnet sind. Die Al-Matrix wird dabei mit steigendem Anteil an Verstärkungsphase zunehmend verbraucht. Um die durch die Al-Fe3Al-Reaktion induzierte Phasenfolge zu analysieren, wurden Verbundwerkstoffe, bestehend aus Al-Matrix und einem einzigen mm-großen Fe3Al-Partikel durch Heißpressen bei 823, 873 und 903 K synthetisiert. Die Gefüge- und Phasenanalyse deuten darauf hin, dass die In-situ-Phasenumwandlung durch atomare Diffusion von Aluminium in Fe3Al erfolgt und die Bildung von in-situ intermetallischen Phasen (Al5Fe2 und Al13Fe4) ausschließlich innerhalb der ursprünglichen Fe3Al-Partikel stattfindet. Die Phasenumwandlung beim Heißpressen führt zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit erhöhen sich von 70-360 MPa und 200-500 MPa für die nicht umgewandelten Verbundwerkstoffe auf 400-1800 MPa und 550-1800 MPa für die umgewandelten Materialien. Damit verbunden ist jedoch auch eine verringerte plastische Verformbarkeit in den umgewandelten Kompositen. Die Streckgrenze von transformierten und nicht transformierten Verbundwerkstoffen folgt dem Iso-Stress-Modell, wenn die charakteristischen strukturellen Merkmale (d.h. Verstärkungsphasen und Matrix) berücksichtigt werden. Schließlich wird das Konzept der harmonischen Strukturen für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe erweitert, indem die Wirksamkeit solcher bimodaler Gefüge als Verstärkungsmethode für Verbundwerkstoffe aus einer reinen Al-Matrix verstärkt mit Fe3Al-Partikeln betrachtet wird. Ziel der Studie ist es, die Gefügeveränderungen zu untersuchen, die durch das Hochenergiemahlen der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen induziert werden. Weiterhin soll der Einfluss des so veränderten Gefüges auf das mechanische Verhalten der durch Heißpressen synthetisierten Verbundproben charakterisiert werden. Die beabsichtigte Kornfeinung beschränkt sich auf die Oberfläche der Partikel, wo die Fe3Al-Phase während der Kugelmahlung der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen nach und nach fragmentiert wird. In den bei der anschließenden Pulverkonsolidierung erzeugten harmonisierten Kompositen wird die feinkörnige Oberfläche zur kontinuierlichen feinkörnigen Matrix, die Makroregionen mit grobkörnigen Verstärkungspartikeln umschließt. Die Erzeugung der bimodalen Gefüge hat einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe, die die des konventionellen Materials um den Faktor 2 übertrifft, ohne die plastische Verformbarkeit zu beeinträchtigen. Zudem zeigt die Modellierung der mechanischen Eigenschaften, dass die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe genau beschrieben werden kann, indem sowohl der Volumenanteil der Verstärkungsphase als auch die charakteristischen Gefügemerkmale der harmonischen Struktur berücksichtigt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Pulvermetallurgie (d.h. Hochenergiemahlen mit anschließendem Heißpressen) erfolgreich eingesetzt werden kann, um hochfeste Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis mit intermetallischer Verstärkungsphase herzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Phasenumwandlung und durch die Anordnung von Verstärkungsphasen hervorgerufene Gefügeveränderungen die Festigkeit der Verbundwerkstoffe signifikant erhöht werden kann. Die Festigkeit und Verformbarkeit der so erzeugten Komposite hängt vom Volumenanteil und der Anordnung der Verstärkungsphase sowie der Grenzflächenreaktion zwischen den Ausgangskomponenten ab. / The strengthening of aluminum matrix composites can be achieved by incorporating hard phase particles in the matrix. The strengthening of the composites depends on the ability of the reinforcement to bear the load and on the microstructural changes induced by the reinforcement addition. The microstructural strengthening is mainly associated with dislocation multiplication, matrix partitioning and Orowan strengthening effects. The strength increases by increasing the reinforcement volume fraction as well as by reducing the size of the reinforcing particles. Additionally, strengthening of composites can be achieved by microstructural modifications through the proper reaction between matrix and reinforcement. Strengthening can also be efficiently attained by the creation of harmonic structures: bimodal microstructures generated by controlled milling of the particulate precursors, which consist of coarse-grained cores embedded in a continuous fine-grained matrix. In this thesis, aluminum based composites are synthesized using ball milling followed by consolidation through hot pressing. Starting from the in-situ creation of intermetallic reinforcements in Al-Mg composites, the research proceeds towards the in-situ microstructural modification in Al-Fe3Al composites. Finally, Al-Fe3Al composites with harmonic structure are successfully produced. The consolidated composites are characterized to analyze the effect of the microstructural changes on the mechanical properties. Lightweight Al-Mg metal matrix composites are synthesized from elemental powder mixtures of aluminum and magnesium using pressure-assisted reactive sintering. The aim is to analyze the effect of the initial volume percent of magnesium on the microstructural modifications and development of the in-situ intermetallic reinforcements. The effect of the reaction between aluminum and magnesium on the mechanical properties of the composites due to the formation of β-Al3Mg2 and γ-Al12Mg17 intermetallics is also investigated. The formation of the intermetallic compounds progressively consumes aluminum and magnesium and induces strengthening of the composites: the yield and compressive strengths increase with increasing the content of intermetallic reinforcement at the expense of the plastic deformation. In the next stage, the effectiveness of the reaction between matrix and reinforcement as a strengthening method for further improving the mechanical performance composites is investigated for the Al-Fe3Al system. To achieve this aim, transformed and non-transformed composites are produced by hot pressing at different temperatures. Phase analysis and microstructural characterization of the transformed composites reveal the formation of a double-shell-reinforcement with Al5Fe2 and Al13Fe4 intermetallics surrounding the Fe3Al phase, while the Al matrix is progressively consumed with increasing the reinforcement content. In order to analyze the phase sequence induced by the Al-Fe3Al reaction, composites consisting of Al matrix and a single mm-sized Fe3Al particle were synthesized through hot pressing at 823, 873 and 903 K. The microstructural investigations and phase identifications suggest that in-situ phase transformation occurs through atomic diffusion of aluminum in Fe3Al and the formation of in-situ intermetallics (Al5Fe2 and Al13Fe4) takes place exclusively within the original Fe3Al particles. The phase transformation during hot pressing induces significant strengthening: the ranges of yield and compressive strengths increase from 70-360 MPa and 200-500 MPa for the non-transformed composites to 400-1800 MPa and 550-1800 MPa for the transformed materials. This occurs at the expense of the plastic deformation, which is generally reduced in the transformed composites. The yield strength of both transformed and non-transformed composites follows the iso-stress model when the characteristic structural features (i.e. strengthening phases and matrix) are taken into account. At the end, the concept of harmonic structures is extended to metal matrix composites by analyzing the effectiveness of such bimodal microstructures as a strengthening method for composites consisting of a pure Al matrix reinforced with Fe3Al particles. The purpose of the study is to examine the microstructural variations induced by ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures and how such variations influence the resulting microstructure and mechanical response of the bulk composite specimens synthesized by hot-pressing. Preferential microstructural refinement limited to the surface of the particles, where the Fe3Al phase is progressively fragmented, occurs during ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures. The refined surface becomes the continuous fine-grained matrix that encloses macro-regions with coarser reinforcing particles in the harmonic composites synthesized during subsequent powder consolidation. The generation of the bimodal microstructure has a significant influence on the strength of the harmonic composites, which exceeds that of the conventional material by a factor of 2 while retaining considerable plastic deformation. Finally, modeling of the mechanical properties indicates that the strength of the harmonic composites can be accurately described by taking into account both the volume fraction of reinforcement and the characteristic microstructural features describing the harmonic structure. The results of the current research work demonstrate that powder metallurgy (i.e. ball milling followed by hot consolidation) can be successfully used to produce high strength aluminum based composites reinforced by intermetallics. The findings indicate that phase transformation and reinforcement arrangement based microstructural modifications can significantly enhance the strength of the composites. The strength and deformability of the composites depends on the volume fraction and arrangement of the reinforcement along with the interfacial reaction between the initial components.

This research extended the knowledge of the solid phase transformation and the resulting influence on impact toughness and pitting corrosion resistance in super austenitic stainless steel (SASS) SANICRO® 35. A time-temperature-transformation diagram (TTT diagram) was assembled by performing isothermal heat treatments in the temperature range of 650-1050 °C for different periods of time, ranging from 5 min to 500 min. Microstructural analysis via LOM-DIC, SEM-EDS shows that the nose temperature of dominating σ phase is located in between 900-950 °C. Minor nitrides including π phase and Cr2N with the nose temperature of 900 °C and 850 °C, respectively, were detected after prolonged heat treatment times. Area fraction of precipitates was calculated by analyzing micrographic images in the software ImageJ. Charpy impact tests indicate that the impact toughness degrades with increasing area fraction of precipitates but at a higher rate at the early stage of precipitation. Despite a much-lessened area fraction, fine precipitates decorating the grain boundaries in a continuous pattern impose significant negative effect on impact toughness. Pitting corrosion resistance was indicated by critical pitting temperature (CPT) as per ASTM G150mod (3M MgCl2). Pitting corrosion resistance deteriorated with increasing amount of σ phase due to the Cr- and Mo-depleted surrounding area, but it is more dependent on the distribution pattern of precipitates, as well as the secondary phase type. The lowest CPTs were measured after heat treatment for 500 min at 800 °C and 850 °C where nitrides including Cr2N and π phase were formed and the small precipitates were distributed on grain boundaries continuously. Auxiliary simulation of TTT diagram via TC PRISMA shows drastic variation from experimental results in regard of time scale. The enhancement pre-factor for the interfacial mobility and interfacial energy can be modified to approach the experimental results. / Detta arbete utfördes för att undersöka fasomvandlingar och dess inflytande på slagsegheten och gropfrätningsmotståndet för det superaustenitiska rostfria stålet (SASS) SANICRO® 35. Ett tid-temperatur-transformationsdiagram (TTT-diagram) har tagits fram genom att utföra isotermiska värmebehandlingar mellan 650-1050 °C med olika hålltider från 5-500 minuter. Mikrostrukturanalys genom LOM-DIC, SEM-EDS undersökning visar att nosen för den dominerande σ-fasen ligger mellan 900-950 °C. Mindre nitrider, som π-fas och Cr2N, med nosarna vid 900 °C respektive 850 °C observerades vid längre hålltider. Areafraktionen av utskiljningar beräknades genom analys av mikrobilder med programmet ImageJ. Slagprovning visade att slagsegheten minskar med ökande fraktion utskiljningar men med en tydligare försämring i början av fastransformationen. Trots att de utgör en betydligt mindre areafraktion så kan mindre utskiljningar som följer korngränserna också påverka materialet signifikant negativt. Gropfrätningsmotståndet testades genom att mäta Critical Pitting Temperature (CPT) enligt ASTM G150mod (3M MgCl2). CPT minskade med ökande andel σ-fas p.g.a. den Cr- och Mo-utarmade zon som omger de utskilda partiklarna. Det finns även en stark koppling mellan lägre CPT och distributionen av utskiljningarna samt andra typer av faser. Lägst CPT uppmättes efter 500 minuter vid 800 °C och 850 °C då små nitrider inklusive Cr2N och π-fas bildats längs med stora delar av korngränserna. Simulering av TTT-diagram i TC PRISMA visade en drastisk skillnad i tiden till utskiljning/mängden utskiljningar jämfört med de experimentella resultaten. Diffusionförstärkningsfaktorn (eng. “mobility enhancement pre-factor”) och ytenergin kan minskas för att bättre överensstämma med de experimentella resultaten.

Over the last few decades, body-centered-cubic (bcc) beta (β) titanium alloys have largely been exploited as structural alloys owing to the richness in their microstructural features. These features, which lead to a unique combination of high specific strength and ductility, excellent hardenability, good fatigue performance, and corrosion resistance, make these alloys viable candidates for many applications, including aerospace, automobile, and orthopedic implants. The mechanical properties of these alloys strongly depend on the various phases present; which can be controlled by thermomechanical treatments and/or alloy design. The two most important and studied phases are the metastable ω phase and the stable α phase. The present study focuses on the microstructural evolution and the mechanical behavior of these two phases in a model β-Ti alloy, binary Ti-12wt. %Mo alloy, and a commercial β-Ti alloy, β-21S. Microstructures containing athermal and isothermal ω phases in the binary Ti-12wt. %Mo alloy are obtained under specific accurate temperature controlled heat treatments. The formation and the evolution of the ω-phase based microstructures are investigated in detail via various characterization techniques such as SEM, TEM, and 3D atom probe tomography. The mechanical behavior was investigated via quasi-static tensile loading; at room and elevated temperatures. The effect of β phase stability on the deformation behavior is then discussed. Similar to the Ti-12wt. %Mo, the formation and the evolution of the athermal and isothermal ω phases in the commercial β-21S alloy was studied under controlled heat treatments. The structural and compositional changes were tracked using SEM, TEM, HR-STEM, and 3D atom probe tomography (3D-APT). The presence of additional elements in the commercial alloy were noted to make a considerable difference in the evolution and morphology of the ω phase and also the mechanical behavior of the alloys. The Portevin-Le Chatelier (PLC) like effect was observed in iii this alloy at elevated temperature and this has been attributed to the shearing of the ω precipitates and the dynamic precipitation of the α phase within these channels. The formation of the stable α phase in the commercial β-21S alloy due to the influence of precursor phases, like the metastable ω phase, is investigated. It is evident from the microstructural characterization, using SEM, TEM, HR-STEM, and 3D-APT, that the ω phase does play a role on the fine scale α precipitation. The mechanical behavior of the β+α microstructure, investigated via tensile testing, shows that these alloys are ideal candidate for precipitation hardening. The exceptional strength values obtained in this alloy have been attributed to a combination of several factors.