Die Motivation zur Untersuchung ternärer und quaternären CuZr-Legierungen bestand in der Annahme, dass die Zugabe von Kobalt den Stabilitätsbereich von B2 CuZr bis zur Raumtemperatur erweitert und Aluminium einen signifikanten Effekt auf die Glasbildungsfähigkeit des CuZr-Systems hat. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Cu50-xCoxZr50 (0 ≤ x ≤ 20) und Cu50-xCoxZr45Al5- (x = 2, 5, 10 und 20) Legierungen. Hierbei wurden die Phasenbildung, die thermische Stabilität, die Mikrostruktur, die Martensitbildung und die mechanischen Eigenschaften der Legierungen untersucht. Die Abhängigkeit der Phasenbildung von der Erstarrungsrate und der thermodynamischen Stabilität von Cu-Co-Zr-Legierungen zeigte, dass die Zugabe von Kobalt die Glasbildungsfähigkeit von Cu-Co-Zr-Legierungen absenkt und die stabilen kristallinen Produkte des Systems von Cu10Zr7 + CuZr2 zu (Cu,Co)Zr Phase mit einer B2 Struktur verändert. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass bei den schmelzgesponnene Bänder mit wenigstens 5 Atom-% Co das Glas direkt in B2 (Cu,Co)Zr kristallisiert, während Massivproben mit Co-Gehalten zwischen 0 ≤ x < 5 die monokline (Cu,Co)Zr Phase und Cu10Zr7 sowie CuZr2 beinhalten, wobei für x ≥ 10 die B2 (Cu,Co)Zr Phase bei Raumtemperatur im Gleichgewicht ist. Des Weiteren werden mit steigendem Co-Gehalt die Martensitumwandlungstemperaturen zu niedrigeren Werten verschoben. Die Phasenbildung im ternären System wird im pseudo-binären (Cu,Co)Zr-Phasendiagramm zusammengefasst, welches die Entwicklung neuer Formgedächtnislegierungen sowie metallischer Glas-Komposite bei Zugabe des Glasbildungselementes Aluminium vereinfacht. In den Vierstofflegierungen erhöht Al die Glasübergangs- und Kristallisationstemperaturen und verbessert dadurch die Glasbildungsfähigkeit des Systems. Die röntgenographische Analyse zeigte, dass die Kristallisationsprodukte der schmelzgesponnenen Bänder variieren: von Cu10Zr7 + CuZr2 + AlCu2Zr zu (Cu,Co)Zr + AlCu2Zr, wenn Co ≤ 5 und Co ≥ 10. Die Herstellung von Massivproben mit unterschiedlichen Durchmessern führte zu einem vollständig amorphen Gefüge, einem metallischen Glas-Komposit oder einem vollständig kristallinen Gefüge. Für Co ≤ 5 tritt neben (Cu,Co)Zr und AlCu2Zr ebenfalls Cu10Zr7 auf. Mittels Rasterelektronen (REM)- und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erfolgte die Analyse des Einflusses von Al- und Co-Zugaben auf die Mikrostruktur von CuZr-Legierungen. Für die Cu-Co-Zr-Al-Legierungen sowie Cu30Co20Zr45Al5 (ø = 4 mm) und Cu45Co5Zr45Al5 (ø = 2 mm) wurden mikrostrukturelle Untersuchungen mittels TEM durchgeführt. Nachfolgend wurde die Heterogenität der Mikrostruktur in der Cu40Co10Zr45Al5 (ø = 2 mm) untersucht. Der Einfluss von Co auf die mechanischen Eigenschaften von rascherstarrten Cu50-xCoxZr50 (x = 2, 5, 10 und 20 Atom-%) Legierungen zeigt, dass das Verformungsverhalten der Stäbe unter Druckbeanspruchung stark von der Mikrostruktur der (Cu,Co)Zr Phase und somit von der Legierungszusammensetzung abhängt. Kobalt beeinflusst die Bruchfestigkeit der Gussproben. Weiterhin zeigen Proben mit martensitischem Gefüge eine Kaltverfestigung. Neben der Kaltverfestigung zeigen die Legierungen mit hohem Co-Gehalt eine verformungsinduzierte Martensitumwandlung und weisen zwei Streckgrenzen auf. Für die Vierstofflegierungen wurde der Einfluss der Kühlrate und der chemischen Zusammensetzung auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Für Cu48Co2Zr45Al5 (ø = 1.5, 2, 3 und 4 mm) und Cu45Co5Zr45Al5 (ø = 3 mm) wurde der Einfluss der Kühlrate und der Heterogenität diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften der Cu50-xCoxZr45Al5-Legierungen stark von der Makrostruktur und dem Volumenanteil der amorphen und kristallinen Phase abhängen. Die verformungsinduzierte Martensitumwandlung in Cu40Co10Zr50- und Cu40Co10Zr45Al5-Gussstäben wurde mittels hochenergetischer Röntgenstrahlung durchgeführt. Die In-situ- Druckversuche erfolgten weg- und kraftkontrolliert. Das makroskopische und mikroskopische Spannung-Dehnungs-Verhalten sowie die Phasenumwandlungskinetik wurden dabei betrachtet. Die relativen Veränderungen der vollständig integrierten Intensität der ausgewählten B2- und Martensitreflexe, die auf die Veränderungen der Volumenanteile der entsprechenden Phasen unter Verformung hinweisen, wurden als Phasenumwandlungsvolumen M/M+B2 beschrieben. / The fact that the presence of Co extends the stability range of B2 CuZr to room temperature, together with the significant effect of Al on improving the glass forming ability of the CuZr system was the motivation to investigate the ternary and quaternary CuZr alloys with the aim of synthesizing BMG composites containing B2 (Cu,Co)Zr crystals. This PhD thesis deals with preparation and characterization of Cu50-xCoxZr50 (0 ≤ x ≤ 20) and Cu50-xCoxZr45Al5 (x = 2, 5, 10 and 20) alloys. The phase formation, thermal stability, microstructure, martensitic transformation and mechanical properties of these alloys were investigated. The dependence of phase formation on solidification rate and the thermodynamically stability of Cu-Co-Zr alloys reveals that the addition of Co decreases the glass forming ability (GFA) of the Cu-Co-Zr alloys and changes the stable crystalline products of the system from Cu10Zr7 + CuZr2 to (Cu,Co)Zr phase with a B2 structure. The results indicate that for the melt-spun ribbons with at least 5 % Co, the glass crystallizes directly into B2 (Cu,Co)Zr, while in the case of bulk specimens, compositions with 0 ≤ x < 5 of Co contain the monoclinic (Cu,Co)Zr phase and Cu10Zr7 and CuZr2, whereas, for x ≥ 10, the B2 (Cu,Co)Zr phase is the equilibrium phase at room temperature. Furthermore, increasing the cobalt content decreases the martensitic transformation temperatures to lower temperatures. The phase formation in the ternary system is summarized in a pseudo-binary (Cu,Co)Zr phase diagram, that helps for designing new shape memory alloys, as well as bulk metallic glass composites with the addition of glass former elements. In the quaternary alloys, Al increases the glass transition and crystallization temperatures and hence improves the GFA of the system. The X-ray analysis illustrates that for the melt-spun ribbons, the crystallization products vary from Cu10Zr7 + CuZr2 + AlCu2Zr to (Cu,Co)Zr + AlCu2Zr when Co ≤ 5 and Co ≥ 10, respectively. Depending on the cooling rates, the bulk samples represent a fully amorphous structure or BMG composites or a fully crystalline structure. For Co ≤ 5, beside (Cu,Co)Zr and AlCu2Zr, Cu10Zr7 exists as well. Scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy investigations were done to investigate the effect of Al and Co addition to the microstructure of CuZr alloys. In the case of Cu-Co-Zr-Al alloys, Cu30Co20Zr45Al5 (ɸ = 4 mm) and Cu45Co5Zr45Al5 (ɸ = 2 mm) compositions were selected for the microstructure verification using TEM. Later, the heterogeneity of the microstructure in Cu40Co10Zr45Al5 (ɸ = 2 mm) alloy was considered. The effect of Co on the mechanical properties of rapidly solidified Cu50-xCoxZr50 (x = 2, 5, 10 and 20 at.%) alloys depict that the deformation behavior of the rods under compressive loading strongly depends on the microstructure, and as a results, on the alloy composition. Cobalt affects the fracture strength of the as-cast samples; and deformation is accompanied with two yield stresses for high Co-content alloys, which undergo deformation-induced martensitic transformation. Instead samples with a martensitic structure show a work-hardening behavior. For quaternary alloys, the effects of cooling rate and chemical composition on mechanical properties of the alloys were investigated. Cu48Co2Zr45Al5 (ɸ= 1.5, 2, 3 and 4 mm) and Cu45Co5Zr45Al5 (ɸ = 3 mm) compositions were selected to discuss the effect of cooling rate and heterogeneity, respectively. The results depict that the mechanical properties of Cu50-xCoxZr45Al5 alloys strongly depend on the microstructure and the volume fraction of the amorphous and crystalline phases. The deformation-induced martensitic transformation of Cu40Co10Zr50 and Cu40Co10Zr45Al5 as-cast rods, was studied by means of high-energy X-rays. The in situ compression measurements were performed in track control and load control modes. The macroscopic and microscopic stress-strain behavior, as well as the phase transformation kinetics were considered. The relative changes in the fully integrated intensity of the selected B2 and martensite peaks, which indicate the changes in volume fraction of the corresponding phases under deformation, was described as phase transformation volume, M/M+B2.

Weltweit wird ein großer Teil der Energie für die Kühlung unterschiedlichster Arten verwendet und der Bedarf steigt weiterhin an. Herkömmliche Kühlsysteme funktionieren mittels Kompression von Gasen mit sehr niedriger Verdampfungstemperatur. Diese Kältemittel sind entweder giftig, brennbar oder klimaschädlich. Deshalb zielen aktuelle Forschungsschwerpunkte auf alternative und nachhaltige Kühlsysteme. Eine vielversprechende Alternative ist der Einsatz von Festkörpern mit Phasenumwandlungen. Die durch verschiedene (magnetische, elektrische oder elastische) Felder induzierten Phasenübergänge ermöglichen die Nutzung kalorischer Effekte. Der magnetokalorische Effekt (MKE) beschreibt das physikalische Phänomen, bei dem ein sich veränderndes äußeres Magnetfeld unter adiabatischen Bedingungen zu einer Temperaturänderung in einem magnetischen Material führt. Für die Nutzung des MKE in Kühlsystemen stellen die Ni-Mn-X (X = Ga, In, Sb, Sn) Heusler-Legierungen eine geeignete Materialklasse dar. Sie besitzt mit ihrer gekoppelten magnetostrukturellen Umwandlung, bei der eine martensitische Phasenumwandlung auch die magnetischen Eigenschaften ändert, ein großes Potential für einen MKE. Beim Absenken der Temperatur unter die Umwandlungstemperatur kommt es zu einer diffusionslosen Strukturumwandlung von einer hohen zu einer niedrigeren Kristallsymmetrie. Dabei wird die Hochtemperaturphase als Austenit und die Niedrigtemperaturphase als Martensit bezeichnet. Werden einige Atomprozent Kobalt zu Ni-Mn-Ga hinzulegiert, ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Phasen deutlich. So zeigt Ni-Mn-Ga-Co einen magnetostrukturellen Übergang zwischen der ferromagnetischen Austenitphase und der ferrimagnetischen Martensitphase und damit einen inversen MKE. Beim Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes kommt es demnach zu einer Abkühlung des funktionalen Materials und damit zu positiven Werten der Entropieänderung. Für die Anwendung dieser Festkörper als Kühlelemente in Mikrosystemen ist die Entwicklung und Charakterisierung dünner Schichten nötig. Ihr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis ermöglicht einen schnellen Wärmeaustausch mit dem umgebenden Medium, wodurch hohe Zyklusfrequenzen erreichbar sind. Entsprechend können hohe spezifische Kühlleistungen erzielt werden. Epitaktische Ni-Mn-basierende Heusler-Legierungsschichten sind außerdem ein gutes Modellsystem für die Untersuchung des Einflusses von Ober- und Grenzflächen auf die Phasenumwandlung und die Materialeigenschaften und erlauben Untersuchungen zu den Ursachen der Hysterese, die bei einer martensitischen Phasenumwandlung auftritt. In dieser Arbeit werden epitaktisch gewachsene Ni-Mn-Ga-Co-Schichten, die eine gekoppelte strukturelle und magnetische Phasenumwandlung nahe Raumtemperatur besitzen, hergestellt und charakterisiert. Ausgehend von Vorarbeiten zu Ni-Mn-X-Schichten und vielversprechenden Zusammensetzungen, die von Massivmaterialproben bekannt sind, wird durch die Variation der Herstellungsparameter und der chemischen Zusammensetzung der Schichten, magnetostrukturelle Umwandlungen mit scharfen Umwandlungsbereichen und geringer thermischen Hysterese bei großer Magnetisierungsänderung erzielt. Anhand von zwei mittels Kombinatorik hergestellter Probenserien wird der Einfluss des Kobalt-Gehaltes auf strukturelle, magnetische und kalorische Eigenschaften untersucht und entspricht den Ergebnissen von Untersuchungen an Ni-Mn-Ga-Co-Massivmaterialien. Es wird gezeigt, wie sich die magnetischen und kalorischen Eigenschaften der Schichten nach der Ablösung vom Substrat ändern. Die Entropieänderung, die ein für die kalorischen Eigenschaften sehr wichtiger Parameter ist, wird indirekt mit Hilfe geeigneter Magnetisierungsmessungen bestimmt und zeigt vielversprechende Werte von bis zu 9,9 J/(kg K). Die Ergebnisse der verschiedenen Messwege durch den Magnetfeld-Temperatur-Phasenraum werden verglichen und die Unterschiede entsprechend des Nukleations- und Wachstumsmodells der martensitischen Umwandlung erläutert. Die Umwandlungszyklenzahl beeinflusst die Wiederholbarkeit der temperaturabhängigen Magnetisierungskurven und damit auf strukturelle und magnetische Eigenschaften der Schichten deutlich und reduziert die thermische Hysterese. Mittels unvollständiger Umwandlungszyklen kann die martensitische Umwandlung derart beeinflusst werden, dass sich die thermische Hysterese reduzieren lässt. Dadurch werden bestehende Nukleations- und Wachstumsmodelle der martensitischen Umwandlung bestätigt.

In the course of this PhD thesis metastable Cu50Zr50-xTix (0≤ x ≤ 10) and (Cu0.5Zr0.5)100-xAlx (5 ≤ x ≤ 8) alloys were prepared and characterised in terms of phase formation, thermal behaviour, crystallisation kinetics and most importantly in terms of mechanical properties. The addition of Al clearly enhances the glass-forming ability although it does not affect the phase formation. This means that the Cu-Zr-Al system follows the characteristics of the binary Cu-Zr phase diagram, at least for Al additions up to 8 at.%. Conversely, the presence of at least 6 at.% Ti changes the crystallisation sequence of Cu50Zr50-xTix metallic glasses and a metastable C15 CuZrTi Laves phase (Fd-3m) precipitates prior to the equilibrium phases, Cu10Zr7 and CuZr2. A structurally related phase, i.e. the “big cube” phase (Cu4(Zr,Ti)2O, Fd-3m), crystallises in a first step when a significant amount of oxygen, on the order of several thousands of mass-ppm (parts per million), is added. Both phases, the C15 Laves as well as the big cube phase, contain pronounced icosahedral coordination and their formation might be related to an icosahedral-like short-range order of the as-cast glass. However, when the metallic glasses obey the phase formation as established in the binary Cu-Zr phase diagram, the short-range order seems to more closely resemble the coordination of the high-temperature equilibrium phase, B2 CuZr. During the tensile deformation of (Cu0.5Zr0.5)100-xAlx bulk metallic glasses where B2 CuZr nanocrystals precipitate polymorphically in the bulk and some of them undergo twinning, which is due to the shape memory effect inherent in B2 CuZr. Qualitatively, this unique deformation process can be understood in the framework of the potential energy landscape (PEL) model. The shear stress, applied by mechanically loading the material, softens the shear modulus, thus biasing structural rearrangements towards the more stable, crystalline state. One major prerequisite in this process is believed to be a B2-like short-range order of the glass in the as-cast state, which could account for the polymorphic precipitation of the B2 nanocrystals at a comparatively small amount of shear. Diffraction experiments using high-energy X-rays suggest that there might be a correlation between the B2 phase and the glass structure on a length-scale less than 4 Å. Additional corroboration for this finding comes from the fact that the interatomic distances of a Cu50Zr47.5Ti2.5 metallic glass are reduced by cold-rolling. Instead of experiencing shear-induced dilation, the atoms become more closely packed, indicating that the metallic glass is driven towards the more densely packed state associated with the more stable, crystalline state. It is noteworthy, that two Cu-Zr intermetallic compounds were identified to be plastically deformable. Cubic B2 CuZr undergoes a deformation-induced martensitic phase transformation to monoclinic B19’and B33 structures, resulting in transformation-induced plasticity (TRIP effect). On the other hand, tetragonal CuZr2 can also be deformed in compression up to a strain of 15%, yet, exhibiting a dislocation-borne deformation mechanism. The shear-induced nanocrystallisation and twinning seem to be competitive phenomena regarding shear band generation and propagation, which is why very few shear offsets, due to shear banding, can be observed at the surface of the bulk metallic glasses tested in quasistatic tension. The average distance between the crystalline precipitates is on the order of the typical shear band thickness (10 - 50 nm) meaning that an efficient interaction between nanocrystals and shear bands becomes feasible. Macroscopically, these microscopic processes reflect as an appreciable plastic strain combined with work hardening. When the same CuZr-based BMGs are tested in tension at room temperature and at high strain rate (10-2 s-1) there seems to be a “strain rate sensitivity”, which could be related to a crossover of the experimental time-scale and the time-scale of the intrinsic deformation processes (nanocrystallisation, twinning, shear band generation and propagation). However, further work is required to investigate the reasons for the varying slope in the elastic regime. As B2 CuZr is the phase, that competes with vitrification, it precipitates in a glassy matrix if the cooling rate is not sufficient to freeze the structure of the liquid completely. The pronounced work hardening and the plasticity of the B2 phase, which are a result of the deformation-induced martensitic transformation, leave their footprints in the stress-strain curves of these bulk metallic glass matrix composites. The behaviour of the yield strength as a function of the crystalline volume fraction can be captured by the rule of mixtures at low crystalline volume fractions and by the load bearing model at high crystalline volume fractions. In between both of these regions there is a transition caused by percolation (impingement) of the B2 crystals. Furthermore, the fracture strain can be modelled as a function of the crystalline volume fraction by a three-microstructural-element body and the results imply that the interface between B2 crystals and glassy matrix determines the plastic strain of the composites. The combination of shape memory crystals and a glassy matrix leads to a material with a markedly high yield strength and an enhanced plastic strain. In the CuZr-based metastable alloys investigated, there is an intimate relationship between the microstructure and the mechanical properties. The insights gained here should prove useful regarding the optimisation of the mechanical properties of bulk metallic glasses and bulk metallic glass composites.:Abstract/Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Aims and objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii 1 Metallic glasses and bulk metallic glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Structure of metallic glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Glass formation and transformation kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1 Crystallisation kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.2 Glass-forming ability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.3 Fragility concept of metallic glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Mechanical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 The potential energy landscape concept . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.2 Role of the shear modulus upon flow of a glass . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.3 Factors affecting plastic deformation of BMGs . . . . . . . . . . . . . 25 1.4 Metastable Cu-Zr-based alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.4.1 Binary Cu-Zr glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.4.2 Minor additions of Al and Ti to glassy Cu-Zr . . . . . . . . . . . . . . 33 2 Synthesis and characterisation methods . . . . . . . . . . 35 2.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.1 Melt spinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.1.2 Cu-mould suction casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2 X-ray diffraction/in-situ experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3 Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.1 Optical microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.2 Scanning electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.3 Transmission electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4 Calorimetry/ Dilatometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.5 Ultrasound velocity measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.6 Mechanical testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Effect of oxygen on Cu-Zr-(Ti) alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1 Influence of casting parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2 Phase formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 Effect of Ti and Al on Cu-Zr glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1 Phase formation and thermal stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2 Crystallisation kinetics and fragility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Isothermal calorimetric measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Isochronal calorimetric measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3 Structure of Cu-Zr-(Al/Ti) glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5 Glassy Cu-Zr-(Al/Ti) alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.1 Deformation behaviour of glassy ribbons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2 Deformation behaviour of bulk metallic glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2.1 Compression tests of Cu50Zr50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2.2 Tensile tests of (Cu0.5Zr0.5)100-xAlx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2.3 Fractography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.2.4 High-strain rate tensile tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6 Cu-Zr intermetallic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.1 Deformation behaviour of Cu10Zr7 and CuZr2 . . . . . . . .. . . . . . . . 111 6.2 Deformation behaviour of B2 CuZr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.3 Relation between intermetallics and BMGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7 Cu-Zr-(Al/Ti) BMG matrix composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1 Microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.2 Deformation behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 9 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 10 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 10.1 Isochronal transformation kinetics (Kissinger) . . . . . . . . . . . . . . . . 143 10.2 Isothermal crystallisation kinetics (Johnson-Mehl-Avrami) . . . . . . . 144 10.3 The fragility concept of metallic glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.4 Flow of liquids in the PEL picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.5 The interstitialcy theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

In this study, the goal is to predict the microstructure evolution during and after the hot working of a martensitic stainless steel with 13% chromium using a physically-based model in the form of a MATLAB toolbox. This model is based on dislocation density theory and consists of coupled sets of evolution equations for dislocation, vacancies, recovery, recrystallization, and grain growth. The focus in this work is on the flow stress calculation and the effect of second phase particles on the strengthening mechanisms in the material at elevated temperatures. Recovery and recrystallization are also studied for this alloy during deformation and following stress relaxation. The experimental part of this work was performed with a Gleeble thermo-mechanical simulator over the temperature range of 850 to 1200°C. Samples were investigated later by a light optical microscope (LOM) and a scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscope (EDS). Hardness test and phase isolation were also performed on the samples and the results are compared with the modeling results. The model can satisfactorily predict the grain growth, recovery, recrystallization, and flow stress for this alloy. Further investigation on the second phase particles showed that the measured mean size of carbides has a good agreement with what is obtained from the model and the hardness values. On the other hand, the modeled volume fraction of the carbides followed a slightly different trend comparing to hardness values, and phase isolation results at temperatures higher than 1000°C. Additionally, the Ms temperature and fraction of the martensite phase are calculated for quenched samples where the results are following the measured hardness values. Finally, the Zener-Hollomon parameter (Z) and its relation to the flow stress and the activation energy for deformation are defined. The dynamic recrystallization (DRX) kinetic is modeled and the fraction DRX was calculated at various temperatures and strain rates for this alloy. / I denna studie är målet att förutsäga mikrostrukturutvecklingen under och efter varmbearbetning i ett martensitiskt rostfritt stål med 13 % krom med hjälp av en fysisk baserad modell i form av en MATLAB verktygslåda. Denna modell är baserad på en teori för dislokationstäthet och bestårav kopplade uppsättningar av evolutionsekvationer för dislokation, vakanser, återhämtning, rekristallisation och kornstillväxt. Fokus i detta arbete är beräkning av flytespänningen och effekten av sekundärfaspartiklar på härdningsmekanismerna i materialet vid höga temperaturer. Återhämtning och rekristallisation studeras också för denna legering under deformation och efter spänningsrelaxation. Den experimentella delen av detta arbete utfördes med en Gleeble termomekanisk simulator inom temperaturområdet 850 till 1200°C. Proverna undersöktes senare med ett ljust optiskt mikroskop (LOM) och svepelektronmikroskop(SEM) utrustad med energidispersiv spektroskopi (EDS). Hårdhetstest och fasisolering utfördes också på proverna och resultaten jämförs med modelleringsresultaten. Modellen på ett tillfredsställande sätt kan förutsäga korntillväxt, återhämtning, rekristallisation och flytspänningen för denna legering. Vidare undersökning av partiklarna i sekundärfasen visade att den uppmätta medelstorleken för karbider har bra överensstämmelse med vad som erhålls från modellen och hårdhetsvärdena. Den modellerade volymfraktionen av karbiderna följde en något annorlunda trend vid temperaturerna högre än 1000°C jämfört med hårdhetsvärden och fasisoleringsresultat. Dessutom beräknas Ms temperaturen och fraktionen av martensitfasen för släckta prover där resultaten följer de uppmätta hårdhetsvärdena. Slutligen definieras Zener-Hollomon-parametern (Z) och dess förhållande till flytspänningen och aktiveringsenergin för deformation. Den kinetiska dynamiska rekristallisation (DRX) modelleras och fraktionen DRX beräknades vidolika temperaturer och töjningshastigheter för denna legering.

This paper examines how the initial austenite grain size in quench and partitioning (Q-P) processes influences the final mechanical properties of Q-P steels. Differences in austenite grain size distribution may result, for example, from uneven heating rates of semi-finished products prior to a forging process. In order to quantify this influence, a carefully defined heat treatment of a cylindrical specimen made of the Q-P-capable 42SiCr steel was performed in a dilatometer. Different austenite grain sizes were adjusted by a pre-treatment before the actual Q-P process. The resulting mechanical properties were determined using the upsetting test and the corresponding microstructures were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). These investigations show that a larger austenite grain size prior to Q-P processing leads to a slightly lower strength as well as to a coarser martensitic microstructure in the Q-P-treated material.

This work is focused on study of mechanical properties of NiTi alloy which shows pseudoelastic and shape memory behaviour. Functional and structural fatigue of the material is examined. The main aim of this work was to perform and to evaluate a series of fatigue tests. The material was supplied in the form of wire which was gripped in the machine using special grips. In the first part of the experiment, tensile tests are evaluated and the reproducibility of measurements is demonstrated. Then, a series of cyclic tests was performed. Results were analysed together with previous measurements. One part of discussion concerned changes of the hysteresis loops during cycling and their dependence on strain rate. The fatigue life curves were plotted. It was found that these curves have non-standard shapes. The reasons for this are explained in the work.

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Kupferbasierte Legierungen mit Formgedächtniseffekt (z.B. Cu-Al-Ni-Mn) sind vergleichsweise kostengünstige Vertreter im Bereich der Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen mit vielversprechenden Umwandlungseigenschaften. Üblicherweise werden diese über konventionelle schmelzmetallurgische Prozesse hergestellt und dann einer thermomechanischen Behandlung unterzogen. Für die vorliegende Arbeit wurden die Formgedächtnislegierungen Cu-11.85Al-3.2Ni-3Mn und Cu-11,35Al-3,2Ni-3Mn-0,5Zr (m-%) unter Nutzung des selektiven Laserschmelzens (Selective Laser Melting – SLM) verarbeitet und Bauteile, nach einer Optimierung der Prozessparameter, mit einer hohen relativen Dichte (ca. 99%) hergestellt. Anschließend wurde der Einfluss des Energieeintrags, eines zusätzlichen Umschmelzschrittes (Mehrfachbelichtung) und einer Substratheizung auf das Gefüge, das Umwandlungsverhalten, die mechanischen Eigenschaften und die Rückverformung (Zweiweg-Effekt, Pseudoelastizität) untersucht. Zum Vergleich wurden weitere Probenkörper mittels Rascherstarrung der Schmelze hergestellt. Besonders die Korngröße und die thermische Stabilisierung der unterschiedlichen Phasen wirken sich unmittelbar auf die Umwandlungstemperaturen sowie das Rückverformungsverhalten aus. Durch die Nutzung des selektiven Laserschmelzens ergeben sich neue Möglichkeiten bei der Herstellung von endkonturnahen sowie geometrisch komplexen Bauteilen mit Formgedächtniseffekt. Zudem können die Gefüge, und damit die Umwandlungseigenschaften des Materials, bereits während der Herstellung eingestellt werden.

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