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Magnetisch und katalytisch funktionalisierte mesoporöse MaterialienKockrick, Emanuel 17 August 2009 (has links) (PDF)
In der vorliegenden Arbeit wurden mesoporöse Materialien erfolgreich mit magnetischen bzw. katalytisch aktiven Nanopartikeln funktionalisiert, wobei zwei unterschiedliche Synthesestrategien verfolgt wurden. Zum einen erfolgte eine direkte Integration der katalytisch aktiven CeO2-Nanopartikel in poröse, thermisch stabile SiC-Matrizes mithilfe der inversen Mikroemulsionsmethode.
Die Größe dieses wässrigen, cersalzhaltigen Nanoreaktors konnte über den RW-Wert (molares Wasser-Tensid-Verhältnis) im Bereich von 2,0-9,9 nm mit einer engen Größenverteilung variiert werden. Für katalytische Untersuchungen wurden die Cerhydroxidpartikel aus dem Mikroemulsionssystem ausgefällt und bei 100-600 °C calciniert. Dabei konnte eine größenabhängige Aktivität der Nanopartikel in der Rußverbrennung nachgewiesen werden, wobei eine Herabsetzung der Rußverbrennungstemperatur um bis zu 239 K nachgewiesen werden konnte. Weiterhin konnten polymere CeO2-SiC Vorläuferverbindungen durch Zugabe einer flüssigen, präkeramischen Vorläuferverbindung (Polycarbosilan) zum Mikroemulsionssystem hergestellt werden, wobei flüssig prozessierbare, transparente Lösungen resultierten. Anschließend erfolgte nach Entfernung der flüchtigen Bestandteile die Pyrolyse zur Bildung der CeO2-SiC-Keramiken. In Abhängigkeit von den Pyrolysebedingungen konnten kristalline SiC-Strukturen mit spezifischen Oberflächen von bis zu 240 m2/g nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen konnte die Modularität dieses neuartigen Synthesekonzeptes demonstriert werden, indem Platin als zusätzliche Aktivkomponente in das bestehende Mikroemulsionssystem integriert wurde. Im Gegensatz zu den platinfreien Systemen erfolgte eine Vernetzungsreaktion infolge der Pt-katalysierten Vernetzungsreaktion des allylgruppenhaltigen Polycarbosilans, mit spezifischen Oberflächen von bis zu 896 m2/g. Anhand von TEM-Untersuchungen konnte eine hohe Dispersion der CeO2-Aktivkomponente mit Partikelgrößen von 2-3 nm gezeigt werden. Durch die Zugabe von Divinylbenzol als Kreuzvernetzungskomponente konnte neben einer weiteren Erhöhung der Oberfläche auf 992 m2/g auch die Hydrophobizität des Polymerkomposits signifikant erhöht werden.
In einer zweiten Synthesestrategie wurden intermetallische MPt-Systeme (M=Fe, Co, Ni) durch Infiltration geeigneter Vorläuferverbindungen und anschließender Thermolyse in geordneten mesoporösen SiO2- bzw. Kohlenstoffmaterialien synthetisiert. Die Phasenbildung in Abhängigkeit von den Thermolysebedingungen wurde mithilfe der Röntgenpulverdiffraktometrie untersucht. Dabei wurden nach der Reduktion bei 400 °C ungeordnete fcc-MPt-Legierungen mit superparamagnetischen Eigenschaften erhalten. Dagegen resultierte für FePt-Systeme nach der Reduktion bei 750 °C bis 800 °C eine deutliche Zunahme der Raumtemperaturkoerzitivitäten auf bis zu 28,35 kOe (FePt@CMK-3) bzw. 15,60 kOe (FePt@SBA-15) infolge der Bildung der intermetallischen fct-FePt Verbindung. Weiterhin wurden die strukturellen sowie magnetischen Eigenschaften der FePt-Nanopartikel in Abhängigkeit vom Massenanteil sowie der Porengröße bzw. -geometrie der porösen Silicatemplate untersucht. Dabei konnte eine starke Abhängigkeit der Raumtemperaturkoerzitivität von der Porenstruktur sowie den jeweiligen Reduktionsbedingungen nachgewiesen werden.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Synthese hochporöser CDC-Kohlenstoffmaterialien (CDC: carbide derived carbon) durch die Chlorierung nichtoxidischer SiC-Keramiken. Hierbei wurde das Silicium der mesoskopisch geordneten SiC-Strukturen durch Umsetzung mit Chlor bei unterschiedlichen Thermolysebedingungen extrahiert. Die resultierenden CDC-Materialien wiesen neben sehr hohen spezifischen Oberflächen von bis zu 2865 m2/g bzw. Porenvolumina von 2,21 cm3/g auch eine von der SiC-Struktur sowie den Chlorierungsbedingungen abhängige mesoskopische Ordnung auf. Die mesoporösen CDC-Materialien eignen sich als Sorbentien mit hohen Butan- bzw. Wasserstoffspeicherkapazitäten von 0,692 gButan/gCDC (25 °C: 80 Vol% Butan) bzw. 2,58 gew% (77 K: 1 bar). Daneben resultieren überaus hohe gravimetrische Methanspeicherkapazitäten von 0,191 g Methan/gCDC im Hochdruckbereich (25 °C, 100 bar), die deutlich größer sind als die bekannter Metallorganischer Gerüstverbindungen. / Ordered mesoporous materials were successfully functionalized with magnetic and catalytic active nanoparticles. Two different synthesis strategies were employed. Cerium oxide nanoparticle containing silicon carbide composites were synthesized by direct incorporation of catalytic active CeO2 nanoparticles in preceramic polycarbosilane using inverse microemulsion technique and subsequent pyrolysis. Resulting ceramic composites offer specific surface up to 240 m2/g and a narrow pore sizes in the range of 4-6 nm. Additionally porous Pt containing CeO2-SiC composites were prepared demonstrating the versitibilty of this new synthesis strategy. Catalytic activity of ceria nanoparticles were shown in soot combustion reaction.
In a second approach intermetallic MPt nanoparticles (M= fe, Co, Ni) were synthesized inside the pores of ordered mesoporous silica and carbon materials. Crystalline structure and particles size were controlled by the porous template and the annealing conditions. Very high room temperature coercivities up to 28.4 koe were obtained for intermetallic FePt nanoparticles in mesoporus carbon matrices. Catalytic activity of FePt silica composites were demonstrated in selective acetylene hydration.
Furthermore high porous, mesostructured carbon materials (CDC: carbide derived carbon) were prepared by chlorination of ordered mesoporous silica resulting extraordinary high specific surface areas up 2865 m2/g, high pore volunina up to 2.21 cm3/g and mesoscopic ordering. These new carbon structures are appropriate as high performance energy storage materials.
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Neutron scattering study on R2PdSi3 (R = Ho, Er, Tm) compoundsTang, Fei 19 January 2011 (has links) (PDF)
Previous studies on the family of inter-metallic rare-earth compounds R2PdSi3 revealed multifaceted magnetic properties, for instance, spin-glass like behavior. Experimental observations include: Signs of a crystallographic superstructure, complicated magnetic structures both in zero field and in applied magnetic fields as well as a generic phase in applied fields for compounds in the series with the heavy rare-earths R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm.
This thesis expands the studies on the magnetic properties of R2PdSi3 employing mainly neutron scattering on single crystals with the focus on the compounds with R = Ho, Er and Tm. A detailed analysis of the crystallographic superstructure using modulation wave approach and group theory is presented. The resulting structure implies the existence of two different rare-earth sites with reduced symmetry and an arrangement of the different sites according to sequences as determined by the superstructure. It will be shown that the reduced symmetry of the rare-earth sites is explicitly observed in the energy spectra of inelastic neutron scattering. The results on the magnetic structures and excitations are shown and discussed in the framework of the superstructure model. Specifically the generic phase in applied fields is interpreted as a direct consequence of the crystallographic superstructure. It is rather unusual that a crystallographic superstructure is playing such a decisive, and through the field dependence also tunable role in determining the magnetic properties as observed in R2PdSi3. The mediating interactions between the crystallographic part and the magnetic part of the system will be discussed. / Frühere Untersuchungen der Familie der intermetallischen Selten-Erd Verbindungen R2PdSi3 zeigten vielfältige magnetische Eigenschaften, zum Beispiel ein Spin-glas ähnliches Verhalten. Die experimentellen Beobachtungen beinhalten: Zeichen für eine kristallographische Überstruktur, komplizierte magnetische Strukturen, sowohl im Nullfeld als auch in angelegten Magnetfeldern und darüberhinaus eine generische Phase in Magnetfeldern in den untersuchten Verbindungen mit den schweren Selten-Erden R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm.
Diese Dissertation erweitert die Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften von R2PdSi3, hauptsächlich durch Verwendung von Neutronenstreuung an Einkristallen, mit dem Schwerpunkt auf den Verbindungen mit R = Ho, Er und Tm. Eine genaue Analyse der kristallographischen Überstruktur mittels Modulationswellenansatz und Gruppentheorie wird präsentiert. Das resultierende Strukturmodell impliziert die Existenz zweier unterschiedlicher Selten-Erd Lagen mit reduzierter Symmetrie in einer Anordnung entsprechend der durch die Überstruktur festgelegten Sequenzen. Es wird gezeigt, dass die reduzierte Symmetrie der Selten-Erd Lagen durch Beobachtungen der inelastischen Neutronenstreuung explizit bestätigt wird. Die Ergebnisse der magnetischen Strukturen und Anregungen werden im Rahmen des Überstrukturmodels diskutiert. Speziell die generische Phase folgt als direkte Konsequenz aus der Überstruktur. Es ist eher ungewöhnlich, dass eine kristallographische Überstruktur eine solch bestimmende und bei Magnetfeldvariation auch “tunebare” Rolle spielt, wie dies in den R2 PdSi3 Verbindungen beobachtet wird. Die vermittelnden Wechselwirkungen zwischen Struktur und Magnetismus werden diskutiert.
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Magnetisch und katalytisch funktionalisierte mesoporöse MaterialienKockrick, Emanuel 07 August 2009 (has links)
In der vorliegenden Arbeit wurden mesoporöse Materialien erfolgreich mit magnetischen bzw. katalytisch aktiven Nanopartikeln funktionalisiert, wobei zwei unterschiedliche Synthesestrategien verfolgt wurden. Zum einen erfolgte eine direkte Integration der katalytisch aktiven CeO2-Nanopartikel in poröse, thermisch stabile SiC-Matrizes mithilfe der inversen Mikroemulsionsmethode.
Die Größe dieses wässrigen, cersalzhaltigen Nanoreaktors konnte über den RW-Wert (molares Wasser-Tensid-Verhältnis) im Bereich von 2,0-9,9 nm mit einer engen Größenverteilung variiert werden. Für katalytische Untersuchungen wurden die Cerhydroxidpartikel aus dem Mikroemulsionssystem ausgefällt und bei 100-600 °C calciniert. Dabei konnte eine größenabhängige Aktivität der Nanopartikel in der Rußverbrennung nachgewiesen werden, wobei eine Herabsetzung der Rußverbrennungstemperatur um bis zu 239 K nachgewiesen werden konnte. Weiterhin konnten polymere CeO2-SiC Vorläuferverbindungen durch Zugabe einer flüssigen, präkeramischen Vorläuferverbindung (Polycarbosilan) zum Mikroemulsionssystem hergestellt werden, wobei flüssig prozessierbare, transparente Lösungen resultierten. Anschließend erfolgte nach Entfernung der flüchtigen Bestandteile die Pyrolyse zur Bildung der CeO2-SiC-Keramiken. In Abhängigkeit von den Pyrolysebedingungen konnten kristalline SiC-Strukturen mit spezifischen Oberflächen von bis zu 240 m2/g nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen konnte die Modularität dieses neuartigen Synthesekonzeptes demonstriert werden, indem Platin als zusätzliche Aktivkomponente in das bestehende Mikroemulsionssystem integriert wurde. Im Gegensatz zu den platinfreien Systemen erfolgte eine Vernetzungsreaktion infolge der Pt-katalysierten Vernetzungsreaktion des allylgruppenhaltigen Polycarbosilans, mit spezifischen Oberflächen von bis zu 896 m2/g. Anhand von TEM-Untersuchungen konnte eine hohe Dispersion der CeO2-Aktivkomponente mit Partikelgrößen von 2-3 nm gezeigt werden. Durch die Zugabe von Divinylbenzol als Kreuzvernetzungskomponente konnte neben einer weiteren Erhöhung der Oberfläche auf 992 m2/g auch die Hydrophobizität des Polymerkomposits signifikant erhöht werden.
In einer zweiten Synthesestrategie wurden intermetallische MPt-Systeme (M=Fe, Co, Ni) durch Infiltration geeigneter Vorläuferverbindungen und anschließender Thermolyse in geordneten mesoporösen SiO2- bzw. Kohlenstoffmaterialien synthetisiert. Die Phasenbildung in Abhängigkeit von den Thermolysebedingungen wurde mithilfe der Röntgenpulverdiffraktometrie untersucht. Dabei wurden nach der Reduktion bei 400 °C ungeordnete fcc-MPt-Legierungen mit superparamagnetischen Eigenschaften erhalten. Dagegen resultierte für FePt-Systeme nach der Reduktion bei 750 °C bis 800 °C eine deutliche Zunahme der Raumtemperaturkoerzitivitäten auf bis zu 28,35 kOe (FePt@CMK-3) bzw. 15,60 kOe (FePt@SBA-15) infolge der Bildung der intermetallischen fct-FePt Verbindung. Weiterhin wurden die strukturellen sowie magnetischen Eigenschaften der FePt-Nanopartikel in Abhängigkeit vom Massenanteil sowie der Porengröße bzw. -geometrie der porösen Silicatemplate untersucht. Dabei konnte eine starke Abhängigkeit der Raumtemperaturkoerzitivität von der Porenstruktur sowie den jeweiligen Reduktionsbedingungen nachgewiesen werden.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Synthese hochporöser CDC-Kohlenstoffmaterialien (CDC: carbide derived carbon) durch die Chlorierung nichtoxidischer SiC-Keramiken. Hierbei wurde das Silicium der mesoskopisch geordneten SiC-Strukturen durch Umsetzung mit Chlor bei unterschiedlichen Thermolysebedingungen extrahiert. Die resultierenden CDC-Materialien wiesen neben sehr hohen spezifischen Oberflächen von bis zu 2865 m2/g bzw. Porenvolumina von 2,21 cm3/g auch eine von der SiC-Struktur sowie den Chlorierungsbedingungen abhängige mesoskopische Ordnung auf. Die mesoporösen CDC-Materialien eignen sich als Sorbentien mit hohen Butan- bzw. Wasserstoffspeicherkapazitäten von 0,692 gButan/gCDC (25 °C: 80 Vol% Butan) bzw. 2,58 gew% (77 K: 1 bar). Daneben resultieren überaus hohe gravimetrische Methanspeicherkapazitäten von 0,191 g Methan/gCDC im Hochdruckbereich (25 °C, 100 bar), die deutlich größer sind als die bekannter Metallorganischer Gerüstverbindungen. / Ordered mesoporous materials were successfully functionalized with magnetic and catalytic active nanoparticles. Two different synthesis strategies were employed. Cerium oxide nanoparticle containing silicon carbide composites were synthesized by direct incorporation of catalytic active CeO2 nanoparticles in preceramic polycarbosilane using inverse microemulsion technique and subsequent pyrolysis. Resulting ceramic composites offer specific surface up to 240 m2/g and a narrow pore sizes in the range of 4-6 nm. Additionally porous Pt containing CeO2-SiC composites were prepared demonstrating the versitibilty of this new synthesis strategy. Catalytic activity of ceria nanoparticles were shown in soot combustion reaction.
In a second approach intermetallic MPt nanoparticles (M= fe, Co, Ni) were synthesized inside the pores of ordered mesoporous silica and carbon materials. Crystalline structure and particles size were controlled by the porous template and the annealing conditions. Very high room temperature coercivities up to 28.4 koe were obtained for intermetallic FePt nanoparticles in mesoporus carbon matrices. Catalytic activity of FePt silica composites were demonstrated in selective acetylene hydration.
Furthermore high porous, mesostructured carbon materials (CDC: carbide derived carbon) were prepared by chlorination of ordered mesoporous silica resulting extraordinary high specific surface areas up 2865 m2/g, high pore volunina up to 2.21 cm3/g and mesoscopic ordering. These new carbon structures are appropriate as high performance energy storage materials.
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Neutron scattering study on R2PdSi3 (R = Ho, Er, Tm) compoundsTang, Fei 14 December 2010 (has links)
Previous studies on the family of inter-metallic rare-earth compounds R2PdSi3 revealed multifaceted magnetic properties, for instance, spin-glass like behavior. Experimental observations include: Signs of a crystallographic superstructure, complicated magnetic structures both in zero field and in applied magnetic fields as well as a generic phase in applied fields for compounds in the series with the heavy rare-earths R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm.
This thesis expands the studies on the magnetic properties of R2PdSi3 employing mainly neutron scattering on single crystals with the focus on the compounds with R = Ho, Er and Tm. A detailed analysis of the crystallographic superstructure using modulation wave approach and group theory is presented. The resulting structure implies the existence of two different rare-earth sites with reduced symmetry and an arrangement of the different sites according to sequences as determined by the superstructure. It will be shown that the reduced symmetry of the rare-earth sites is explicitly observed in the energy spectra of inelastic neutron scattering. The results on the magnetic structures and excitations are shown and discussed in the framework of the superstructure model. Specifically the generic phase in applied fields is interpreted as a direct consequence of the crystallographic superstructure. It is rather unusual that a crystallographic superstructure is playing such a decisive, and through the field dependence also tunable role in determining the magnetic properties as observed in R2PdSi3. The mediating interactions between the crystallographic part and the magnetic part of the system will be discussed. / Frühere Untersuchungen der Familie der intermetallischen Selten-Erd Verbindungen R2PdSi3 zeigten vielfältige magnetische Eigenschaften, zum Beispiel ein Spin-glas ähnliches Verhalten. Die experimentellen Beobachtungen beinhalten: Zeichen für eine kristallographische Überstruktur, komplizierte magnetische Strukturen, sowohl im Nullfeld als auch in angelegten Magnetfeldern und darüberhinaus eine generische Phase in Magnetfeldern in den untersuchten Verbindungen mit den schweren Selten-Erden R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm.
Diese Dissertation erweitert die Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften von R2PdSi3, hauptsächlich durch Verwendung von Neutronenstreuung an Einkristallen, mit dem Schwerpunkt auf den Verbindungen mit R = Ho, Er und Tm. Eine genaue Analyse der kristallographischen Überstruktur mittels Modulationswellenansatz und Gruppentheorie wird präsentiert. Das resultierende Strukturmodell impliziert die Existenz zweier unterschiedlicher Selten-Erd Lagen mit reduzierter Symmetrie in einer Anordnung entsprechend der durch die Überstruktur festgelegten Sequenzen. Es wird gezeigt, dass die reduzierte Symmetrie der Selten-Erd Lagen durch Beobachtungen der inelastischen Neutronenstreuung explizit bestätigt wird. Die Ergebnisse der magnetischen Strukturen und Anregungen werden im Rahmen des Überstrukturmodels diskutiert. Speziell die generische Phase folgt als direkte Konsequenz aus der Überstruktur. Es ist eher ungewöhnlich, dass eine kristallographische Überstruktur eine solch bestimmende und bei Magnetfeldvariation auch “tunebare” Rolle spielt, wie dies in den R2 PdSi3 Verbindungen beobachtet wird. Die vermittelnden Wechselwirkungen zwischen Struktur und Magnetismus werden diskutiert.
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Microstructure and texture development during high-strain torsion of NiAl / Mikrostruktur- und Texturentwickung während der Torsionsverformung von NiAlKlöden, Burghardt 20 January 2007 (has links) (PDF)
In this study polycrystalline NiAl has been subjected to torsion deformation. Torsion has been used because of its characteristics. By this deformation mode high shear strains (gamma = 18 in this study) can be imposed on the sample. The deformation conditions are well-defined because of the local deformation mode, which is simple shear. Due to the monoclinic sample symmetry one half of the pole figure is needed in order to obtain the complete texture information, which is more than is needed e.g. by extrusion or rolling. Therefore, texture analysis might be more sensitive with respect to texture components. Furthermore, torsion deformation is characterized by being inhomogeneous in terms of the amount of shear strain and shear strain rate along the sample radius. The shear strain gradient makes the analysis of different stages of deformation on the same sample (i.e. under the same deformation conditions) possible. Another characteristic being special for torsion is that samples change their length, although no axial stress is applied. This effect is known as Swift effect and will be analyzed in detail. The deformation, microstructure and texture development subject to the shear strain are studied by different techniques (Electron Back-Scatter and High Energy Synchrotron Radiation). Beside the development of microstructure and texture with shear strain, the effect of an initial texture as well as the deformation temperature on the development of texture and microstructure constitute an important part of this study. Therefore, samples with three different initial textures were deformed in the temperature range T = 700K – 1300K. The development of the microstructure is characterized by two different regimes depending on the deformation temperature T. For T up to 1000K, continuous dynamic recrystallization (CDRX) takes place. This mechanism leads to the deformation-induced dislocations forming low angle grain boundaries (LAGBs) or being incorporated into them and the successive transformation of these boundaries into high angle grain boundaries (HAGBs) by a further increase of their misorientation. The predictions of this model were compared with the experimental results. The shear stress – shear strain curves are characterized by a peak at low strains, which is followed by softening and a steady state at high strains. This condition is fulfilled for a number of samples, but especially <111> oriented samples do not show a softening stage at low temperatures. Grain refinement takes place for all samples and the average grain size decreases with temperature. The predicted LAGB decrease is in best agreement with the experiments at the lowest temperatures (T = 700K and 800K). Deviations from the model can be explained by the temperature dependence of the grain boundary mobility. For temperatures T > 1000K, discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) occurs, by which new grains form by nucleation and subsequent growth. The texture is characterized by two components, {100}<100> (cube, C) and {110}<100> (Goss, G). The intensity of G increases with temperature, while that of C decreases independent of the initial orientation. Both components have their maximum deviated about the 1 axis. The deviation is larger for grains containing the C component and decreases with temperature. Grains containing the G component have the smaller deviation, which decreases with temperature and strain. Texture simulations based on the full constraint Taylor model under the assumption of {110}<100> and {110}<110> slip were done with the experimental <110> and <111> fibres as well as a theoretical <100> fibre and a {100}<100> single orientation (ideal as well as rotated about the torsion axis). The G component is predicted by the simulations and is therefore a deformation texture. However the C component does not appear in the simulation. It therefore must originate by different mechanisms. For the non-<100> oriented samples, possibly nucleation is responsible for the formation of C oriented nuclei. Simulations with single orientations lead to the conclusion, that the ideal C orientation rotates about the 1 axis, while other C orientations, which are rotated about the torsion axis, increasingly converge towards the G component with strain. A single G orientation on the other hand is stable against such a rotation and is therefore the most likely steady state texture. Based on these results it is proposed, that ideally C oriented nuclei rotate until an orientation is reached into which they grow. These new grains are further rotated up to a critical angle, at which a part of them disappears either by adjacent grains or new C oriented nuclei. The recrystallization texture for T > 1000K is most likely the C component as well. Torsional creep of NiAl is characterized by a stress exponent, which depends on temperature and an activation energy, which is stress dependent. A model incorporating both dependencies is proposed and applied to the creep data. It is shown that these equations are able to describe the experimental findings. Thus creep of NiAl based on this model is dominated by non-diffusional processes such as cross slip of <100> screw dislocations for T 1000K. For T > 1000K the stress exponent and the activation energy are in a region, which according to previous reports is rather dominated by dislocation-climb controlled creep. The Swift effect, due to which samples change their axial dimension during torsion without applied axial stress, is observed for NiAl. It is strongly related to the texture development and in the case of NiAl the C component is identified as being responsible for shortening, whereas the G component leads to lengthening as long as it is not aligned with the shear system. Both tendencies can be explained based on the active slip systems. Simulations fail to predict the experimental observation, because the C component is not present. HESR and EBSD were compared with respect to local texture measurements. It was concluded depending on the average grain size HESR has an advantage in terms of grain statistics. For DDRX samples however, both methods are limited. Local texture inhomogeneities can be better detected using EBSD, whereas for an overall local texture information HESR is better suited.
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Microstructure and texture development during high-strain torsion of NiAlKlöden, Burghardt 20 October 2006 (has links)
In this study polycrystalline NiAl has been subjected to torsion deformation. Torsion has been used because of its characteristics. By this deformation mode high shear strains (gamma = 18 in this study) can be imposed on the sample. The deformation conditions are well-defined because of the local deformation mode, which is simple shear. Due to the monoclinic sample symmetry one half of the pole figure is needed in order to obtain the complete texture information, which is more than is needed e.g. by extrusion or rolling. Therefore, texture analysis might be more sensitive with respect to texture components. Furthermore, torsion deformation is characterized by being inhomogeneous in terms of the amount of shear strain and shear strain rate along the sample radius. The shear strain gradient makes the analysis of different stages of deformation on the same sample (i.e. under the same deformation conditions) possible. Another characteristic being special for torsion is that samples change their length, although no axial stress is applied. This effect is known as Swift effect and will be analyzed in detail. The deformation, microstructure and texture development subject to the shear strain are studied by different techniques (Electron Back-Scatter and High Energy Synchrotron Radiation). Beside the development of microstructure and texture with shear strain, the effect of an initial texture as well as the deformation temperature on the development of texture and microstructure constitute an important part of this study. Therefore, samples with three different initial textures were deformed in the temperature range T = 700K – 1300K. The development of the microstructure is characterized by two different regimes depending on the deformation temperature T. For T up to 1000K, continuous dynamic recrystallization (CDRX) takes place. This mechanism leads to the deformation-induced dislocations forming low angle grain boundaries (LAGBs) or being incorporated into them and the successive transformation of these boundaries into high angle grain boundaries (HAGBs) by a further increase of their misorientation. The predictions of this model were compared with the experimental results. The shear stress – shear strain curves are characterized by a peak at low strains, which is followed by softening and a steady state at high strains. This condition is fulfilled for a number of samples, but especially <111> oriented samples do not show a softening stage at low temperatures. Grain refinement takes place for all samples and the average grain size decreases with temperature. The predicted LAGB decrease is in best agreement with the experiments at the lowest temperatures (T = 700K and 800K). Deviations from the model can be explained by the temperature dependence of the grain boundary mobility. For temperatures T > 1000K, discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) occurs, by which new grains form by nucleation and subsequent growth. The texture is characterized by two components, {100}<100> (cube, C) and {110}<100> (Goss, G). The intensity of G increases with temperature, while that of C decreases independent of the initial orientation. Both components have their maximum deviated about the 1 axis. The deviation is larger for grains containing the C component and decreases with temperature. Grains containing the G component have the smaller deviation, which decreases with temperature and strain. Texture simulations based on the full constraint Taylor model under the assumption of {110}<100> and {110}<110> slip were done with the experimental <110> and <111> fibres as well as a theoretical <100> fibre and a {100}<100> single orientation (ideal as well as rotated about the torsion axis). The G component is predicted by the simulations and is therefore a deformation texture. However the C component does not appear in the simulation. It therefore must originate by different mechanisms. For the non-<100> oriented samples, possibly nucleation is responsible for the formation of C oriented nuclei. Simulations with single orientations lead to the conclusion, that the ideal C orientation rotates about the 1 axis, while other C orientations, which are rotated about the torsion axis, increasingly converge towards the G component with strain. A single G orientation on the other hand is stable against such a rotation and is therefore the most likely steady state texture. Based on these results it is proposed, that ideally C oriented nuclei rotate until an orientation is reached into which they grow. These new grains are further rotated up to a critical angle, at which a part of them disappears either by adjacent grains or new C oriented nuclei. The recrystallization texture for T > 1000K is most likely the C component as well. Torsional creep of NiAl is characterized by a stress exponent, which depends on temperature and an activation energy, which is stress dependent. A model incorporating both dependencies is proposed and applied to the creep data. It is shown that these equations are able to describe the experimental findings. Thus creep of NiAl based on this model is dominated by non-diffusional processes such as cross slip of <100> screw dislocations for T 1000K. For T > 1000K the stress exponent and the activation energy are in a region, which according to previous reports is rather dominated by dislocation-climb controlled creep. The Swift effect, due to which samples change their axial dimension during torsion without applied axial stress, is observed for NiAl. It is strongly related to the texture development and in the case of NiAl the C component is identified as being responsible for shortening, whereas the G component leads to lengthening as long as it is not aligned with the shear system. Both tendencies can be explained based on the active slip systems. Simulations fail to predict the experimental observation, because the C component is not present. HESR and EBSD were compared with respect to local texture measurements. It was concluded depending on the average grain size HESR has an advantage in terms of grain statistics. For DDRX samples however, both methods are limited. Local texture inhomogeneities can be better detected using EBSD, whereas for an overall local texture information HESR is better suited.
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