Metalle, die zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, zeigen bereits vor der Anrissbildung typische Veränderungen des Gefüges. Bei austenitischen Stählen verursacht Ermüdungsbelastung die Bildung charakteristischer Versetzungsanordnungen. Unter bestimmten Umständen tritt die Bildung von Verformungsmartensit auf, die von einer starken Veränderung der magnetischen Werkstoffeigenschaften begleitet wird. Zwischen der aufgebrachten Ermüdungsbelastung und den beschriebenen Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen einerseits und Restlebensdauer eines Bauteils andererseits sollten Zusammenhänge systematisch untersucht werden. Hierfür wurden verschiedene zerstörungsfreie Methoden eingesetzt und ihre Empfindlichkeit verglichen. Die Gefüge der ermüdeten Zustände wurden auch mit metallographischen, elektronenoptischen und röntgenographischen Methoden charakterisiert. Zwischen den Ermüdungsparametern und den Gefügeveränderungen wird ein Zusammenhang hergestellt, insbesondere zwischen der Restlebensdauer und dem Volumenanteil an Martensit. Der Einfluss der chargenabhängigen Werkstoffeigenschaften und der Belastungsbedingungen auf das martensitische Umwandlungsverhalten wurde in statischen und zyklischen Experimenten untersucht. Anhand der Entwicklung des Martensitgehaltes im Verlauf der Ermüdung wird ein Bewertungsschema für die Abschätzung der Restlebensdauer vorgeschlagen.

Metalle, die zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, zeigen bereits vor der Anrissbildung typische Veränderungen des Gefüges. Bei austenitischen Stählen verursacht Ermüdungsbelastung die Bildung charakteristischer Versetzungsanordnungen. Unter bestimmten Umständen tritt die Bildung von Verformungsmartensit auf, die von einer starken Veränderung der magnetischen Werkstoffeigenschaften begleitet wird. Zwischen der aufgebrachten Ermüdungsbelastung und den beschriebenen Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen einerseits und Restlebensdauer eines Bauteils andererseits sollten Zusammenhänge systematisch untersucht werden. Hierfür wurden verschiedene zerstörungsfreie Methoden eingesetzt und ihre Empfindlichkeit verglichen. Die Gefüge der ermüdeten Zustände wurden auch mit metallographischen, elektronenoptischen und röntgenographischen Methoden charakterisiert. Zwischen den Ermüdungsparametern und den Gefügeveränderungen wird ein Zusammenhang hergestellt, insbesondere zwischen der Restlebensdauer und dem Volumenanteil an Martensit. Der Einfluss der chargenabhängigen Werkstoffeigenschaften und der Belastungsbedingungen auf das martensitische Umwandlungsverhalten wurde in statischen und zyklischen Experimenten untersucht. Anhand der Entwicklung des Martensitgehaltes im Verlauf der Ermüdung wird ein Bewertungsschema für die Abschätzung der Restlebensdauer vorgeschlagen.

In the past, it has been found that CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr crystals in the glassy matrix display significant plasticity with obvious work hardening. In this work, it was tried to provide a strategy for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites, to modify the microstructures of these composites, and to clarify their yielding and deformation mechanisms. In order to pinpoint the formation of CuZr-based BMG composites, the phase formation and structural evolution of 11 kinds of CuZr-based alloy systems, altogether 36 different compositions, during heating and quenching processes were investigated. An endothermic event between the crystallization and melting peaks was found to be associated with a eutectoid transformation of the B2 CuZr phase. With the addition of elements to the CuZr-based alloys, this endothermic peak(s) shifts to lower or higher temperatures, implying that minor element additions can change the thermal stability of the B2 CuZr phase. By considering the thermal stability of the supercooled liquid, i.e. its resistance against crystallization, and the thermal stability of the B2 CuZr phase, a new strategy to select compositions, which form metastable CuZr-based composites consisting of an amorphous phase and B2 CuZr crystals, is proposed. It is characterized by a parameter, K = Tf /TL, where Tf and TL are the final temperature of the eutectoid transformation during heating and the liquidus temperature of the alloy, respectively. Based on this criterion, the present CuZr-based alloys are classified into three types. For Type I alloys with lower K values, it is difficult to obtain bulk metallic glass (BMG) composites. For Type III alloys with higher K values, BMG composites with larger dimensions are prone to be fabricated, whereas only moderate-sized BMG composites can be obtained for Type II possessing intermediate K values. Accordingly, CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr phase in the glassy matrix for different alloy systems were successfully fabricated into different dimensions. For the sake of controlling the formation of the B2 CuZr phase in the glassy matrix and then changing the deformability of CuZr-based BMG composites, different methods were also used to fabricate these composites by: (1) introducing insoluable/high-melting particles; (2) appropriate re-melting treatments of master alloys; and (3) a new flash heating and quenching method. It was demonstrated that the volume fraction, size and distribution of the B2 phase in the glassy matrix can be controlled as well using the methods above. In order to clarify the excellent mechanical properties of CuZr-based BMG composites, the yielding and plastic deformation mechanisms of CuZr-based BMG composites were investigated based on SEM, XRD, and TEM observations. With the volume fraction of amorphous phase (famor) decreasing from 100 vol.% to 0 vol.%, a single-to-“double”-to-“triple”-double yielding transition was found. For the monolithic CuZr-based BMGs and their composites with the famor ³ 97.5 ± 0.5 vol.%, only one yielding at a strain of ~2% occurs, which is due to the formation of multiple shear bands in the glassy matrix, and the associative actions of the shear banding and the martensitic transformation (MT), respectively. When the famor is less than 97.5 ± 0.5 vol.%, a “yielding” occurs at a low strain of ~1%, which results from the yielding of B2 CuZr phase and the onset of the MT within B2 CuZr phase. When the famor is larger than 55 ± 3 vol.%, a “yielding” observed at strains >8% is ascribed from the operation of dislocations with a high density as well as partial de-twinning. It was also found that with the famor decreasing, the deformation mechanism gradually changes from a shear-banding dominated process, to a process being governed by the MT in the crystalline phase, resulting in different plastic strains. Owing to the importance of the MT and the shear banding to the deformation of CuZr-based BMG composites, the details of the MT and the shear banding process were investigated. On one hand, it was found that the MT temperatures of CuZr-based martensitic alloys have a clear relationship with the respective electronic structure and the lattice parameter of the equiatomic CuZr intermetallics. The MT temperatures of the studied alloys can be evaluated by the average concentration of valence electrons. Additional elements with larger atomic radius can affect the stacking fault energy and the electronic charge density redistribution, resulting in the difference of the electronic structures. On the other hand, the formation and multiplication of shear bands for CuZr-based BMG composites is associated with the storage and dissipation of the partial elastic energy during the plastic deformation. When microstructural inhomogeneities at different length scales are introduced into the glassy matrix, the elastic energy stored in the sample-machine system during the plastic deformation is redistributed, resulting in a transition of shear banding process from a chaotic behavior to a self-organized critical state. All in all, our studies and observations provide an understanding of the formation, deformation, and microstrcutural optimization of CuZr-based BMG composites and give guidance on how to improve the ductility/toughness of BMGs. / In letzter Zeit zeigte sich, dass massive Cu-Zr-basierte metallische Glaskomposite, welche B2 CuZr-Kristallite in der amorphen Matrix enthalten, eine ausgeprägte Plastizität mit klarer Kaltverfestigung aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, eine Strategie zur zielgenauen Einstellung der Phasenbildung und des dazugehörigen Gefüges von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen bereitzustellen, sowie deren Fließ- und Verformungsmechanismen aufzuklären. Es wurden elf verschiedene CuZr-basierte Legierungssysteme, insgesamt 36 verschiedene Zusammensetzungen, während Heiz- und Abschreckprozessen untersucht, um die Phasenbildung samt Gefüge von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen zielgenau einzustellen. Bei CuZr-basierten metallischen Gläsern kann eine endotherme Reaktion zwischen Kristallisation und Schmelzvorgang der eutektoiden Umwandlung von B2 CuZr zugeordnet werden. Mit Zugabe verschiedener Elemente zur CuZr-Basislegierung kann diese Umwandlung zu höheren bzw. niedrigeren Temperaturen verschoben werden. Bereits geringe Beimischungen beeinflussen die thermische Stabilität der B2 CuZr-Phase. Unter Berücksichtigung der thermischen Stabilität, sowie des Widerstands gegen Kristallisation der unterkühlten Schmelze und der B2 CuZr-Phase wurde eine neue Strategie zur Auswahl des Zusammensetzungsgebiets metastabiler CuZr-Legierungen verschiedener Durchmesser vorgeschlagen. Dieser Widerstand kann durch den Parameter K=Tf/TL beschrieben werden, wobei Tf die Endtemperatur der eutektoiden Umwandlung und TL die Liquidustemperatur sind. Basierend auf diesem Parameter können die untersuchten CuZr-basierten Legierungen in drei Klassen unterteilt werden. Für Legierungen vom Typ I mit niedrigeren K-Werten, ist es schwer massive metallische Glas-Komposite (BMG-Komposite) zu erhalten. Im Gegensatz dazu lassen sich für Legierungen vom Typ III, mit höheren K-Werten, BMG-Komposite mit größeren Probendurchmessern herstellen und Legierungen vom Typ II mit einem mittleren K-Wert mit moderaten Probendurchmessern erzeugt werden. Folglich wurden CuZr-basierte Glas-Matrix-Komposite verschiedener Legierungssysteme mit B2-Phase in der amorphen Matrix erfolgreich in unterschiedlichen Geometrien hergestellt. Zur Kontrolle der Ausbildung der B2-Phase in der amorphen Matrix wurden unterschiedliche Methoden verwendet, um duktile CuZr-basierte BMG-Komposite herzustellen: (1) Einbringen von unlöslichen, hochschmelzenden Partikeln; (2) geeignete Wiederaufschmelzbehandlungen der Vorlegierungen; (3) eine neue Schnellerhitzungs- und -Abschreckmethode. Es konnte gezeigt werden, dass der Volumenanteil, sowie die Größe und Verteilung der B2-Phase in der amorphen Matrix durch die oben genannten Methoden kontrolliert werden können. Um die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich des Fließens und der plastischen Deformationsmechanismen von CuZr-basierten BMG-Kompositen aufzuklären, wurden diese näher mittels Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Durchstrahlungs-elektronenmikroskopie untersucht. Mit sinkendem Volumenanteil der amorphen Phase (famor) von 100 vol.% auf 0 vol.% kann ein Übergang von einer über zwei zu drei Fließgrenzen beobachtet werden. Für monolithische CuZr-basierte BMGs und ihre Komposite mit einem Anteil famor ≥ 97.5 ± 0.5vol.% erfolgt das Fließen ab einer Stauchung von ~2% durch Ausbildung von mehreren Scherbänden in der amorphen Matrix bzw. dem Zusammenwirken des dazugehörigen Scherens und der Martensitumwandlung. Bei einem Anteil famor unter 97.5 ± 0.5 vol.% findet ein Fließen bei niedrigerer Stauchung von ~1% statt. Dies geschieht aufgrund des Fließens und der beginnenden martensitischen Umwandlungen der B2 CuZr-Phase. Bei einem Anteil famor größer als 55 ± 3 vol.% kann ein Fließen oberhalb einer Stauchung von 8% durch die Interaktion von Versetzungen bei hoher Versetzungsdichte sowie partiellem „Entzwillingen“, beobachtet werden. Es wurde herausgefunden, dass mit sinkendem famor der Verformungsmechanismus schrittweise von einem Scherband dominierten zu einem von der martensitischen Umwandlung dominierten Mechanismus übergeht. Dieser Übergang führt zu Unterschieden in der plastischen Verformung. Da für das Verformungsverhalten von CuZr-basierten BMG-Kompositen die deformationsinduzierte martensitische Umwandlung und die Entstehung sowie Ausbreitung von Scherbändern von herausragender Bedeutung sind, wurden sie näher untersucht. Einerseits wurde herausgefunden, dass die Umwandlungstemperatur der martensitischen Umwandlung von CuZr-basierten martensitischen Legierungen in klarer Beziehung zur entsprechenden Elektronenstruktur und der Gitterkonstanten der äquiatomaren intermetallischen CuZr-Phasen stehen. Die martensitischen Umwandlungstemperaturen der untersuchten Legierungen können über die mittlere Valenzelektronenkonzentration ausgewertet werden. Zusätzliche Elemente mit größerem Atomradius können die Stapelfehlerenergie und die Ladungsdichteverteilung ändern, was in unterschiedliche Elektronenstrukturen mündet. Andererseits ist die Entstehung und Vervielfachung von Scherbändern in CuZr-basierten BMG-Kompositen verbunden mit der Speicherung und Dissipation der partiellen elastischen Energie während der plastischen Verformung. Durch das Einbringen von Gefügeinhomogenitäten unterschiedlicher Größe in die Glasmatrix, wird die elastische Energie, die im System Probe-Maschine gespeichert ist, während der plastischen Deformation umverteilt. Dies führt zu einem Übergang des Schervorgangs von chaotischem Verhalten zu einem selbstorganisierten kritischen Zustand. Insgesamt stellen unsere Untersuchungen und Beobachtungen ein Verständnis der Ausbildung, Verfomung und Gefügeoptimierung von CuZr-basierten BMG-Kompositen bereit und sollen als Leitfaden zur Verbesserung der Duktilität bzw. Zähigkeit von BMGs dienen.

In the past, it has been found that CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr crystals in the glassy matrix display significant plasticity with obvious work hardening. In this work, it was tried to provide a strategy for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites, to modify the microstructures of these composites, and to clarify their yielding and deformation mechanisms. In order to pinpoint the formation of CuZr-based BMG composites, the phase formation and structural evolution of 11 kinds of CuZr-based alloy systems, altogether 36 different compositions, during heating and quenching processes were investigated. An endothermic event between the crystallization and melting peaks was found to be associated with a eutectoid transformation of the B2 CuZr phase. With the addition of elements to the CuZr-based alloys, this endothermic peak(s) shifts to lower or higher temperatures, implying that minor element additions can change the thermal stability of the B2 CuZr phase. By considering the thermal stability of the supercooled liquid, i.e. its resistance against crystallization, and the thermal stability of the B2 CuZr phase, a new strategy to select compositions, which form metastable CuZr-based composites consisting of an amorphous phase and B2 CuZr crystals, is proposed. It is characterized by a parameter, K = Tf /TL, where Tf and TL are the final temperature of the eutectoid transformation during heating and the liquidus temperature of the alloy, respectively. Based on this criterion, the present CuZr-based alloys are classified into three types. For Type I alloys with lower K values, it is difficult to obtain bulk metallic glass (BMG) composites. For Type III alloys with higher K values, BMG composites with larger dimensions are prone to be fabricated, whereas only moderate-sized BMG composites can be obtained for Type II possessing intermediate K values. Accordingly, CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr phase in the glassy matrix for different alloy systems were successfully fabricated into different dimensions. For the sake of controlling the formation of the B2 CuZr phase in the glassy matrix and then changing the deformability of CuZr-based BMG composites, different methods were also used to fabricate these composites by: (1) introducing insoluable/high-melting particles; (2) appropriate re-melting treatments of master alloys; and (3) a new flash heating and quenching method. It was demonstrated that the volume fraction, size and distribution of the B2 phase in the glassy matrix can be controlled as well using the methods above. In order to clarify the excellent mechanical properties of CuZr-based BMG composites, the yielding and plastic deformation mechanisms of CuZr-based BMG composites were investigated based on SEM, XRD, and TEM observations. With the volume fraction of amorphous phase (famor) decreasing from 100 vol.% to 0 vol.%, a single-to-“double”-to-“triple”-double yielding transition was found. For the monolithic CuZr-based BMGs and their composites with the famor ³ 97.5 ± 0.5 vol.%, only one yielding at a strain of ~2% occurs, which is due to the formation of multiple shear bands in the glassy matrix, and the associative actions of the shear banding and the martensitic transformation (MT), respectively. When the famor is less than 97.5 ± 0.5 vol.%, a “yielding” occurs at a low strain of ~1%, which results from the yielding of B2 CuZr phase and the onset of the MT within B2 CuZr phase. When the famor is larger than 55 ± 3 vol.%, a “yielding” observed at strains >8% is ascribed from the operation of dislocations with a high density as well as partial de-twinning. It was also found that with the famor decreasing, the deformation mechanism gradually changes from a shear-banding dominated process, to a process being governed by the MT in the crystalline phase, resulting in different plastic strains. Owing to the importance of the MT and the shear banding to the deformation of CuZr-based BMG composites, the details of the MT and the shear banding process were investigated. On one hand, it was found that the MT temperatures of CuZr-based martensitic alloys have a clear relationship with the respective electronic structure and the lattice parameter of the equiatomic CuZr intermetallics. The MT temperatures of the studied alloys can be evaluated by the average concentration of valence electrons. Additional elements with larger atomic radius can affect the stacking fault energy and the electronic charge density redistribution, resulting in the difference of the electronic structures. On the other hand, the formation and multiplication of shear bands for CuZr-based BMG composites is associated with the storage and dissipation of the partial elastic energy during the plastic deformation. When microstructural inhomogeneities at different length scales are introduced into the glassy matrix, the elastic energy stored in the sample-machine system during the plastic deformation is redistributed, resulting in a transition of shear banding process from a chaotic behavior to a self-organized critical state. All in all, our studies and observations provide an understanding of the formation, deformation, and microstrcutural optimization of CuZr-based BMG composites and give guidance on how to improve the ductility/toughness of BMGs.:Contents Abstract V Kurzfassung IX 1 Theoretical background 1 1.1 Development of metallic glasses 1 1.2 Formation of metallic glasses 3 1.2.1 Thermodynamic considerations 5 1.2.2 Kinetic considerations 7 1.2.3 Structural considerations 10 1.3 Mechanical properties of metallic glasses 14 1.4 Deformation mechanisms of metallic glasses 18 1.4.1 Shear transformation zone theory 18 1.4.2 Free volume model 20 1.4.3 Potential energy landscape theory 21 1.4.4 Cooperative Shearing Model 22 1.5 Strategies to improve the ductility of metallic glasses 24 1.5.1 Nano-scaled microstructural inhomogeneities 25 1.5.2 Micro-scaled microstructural inhomogeneities 28 1.5.3 CuZr-based BMG composites 31 2 Experimental techniques 37 2.1 Sample preparation 37 2.1.1 Arc melting/suction casting 37 2.1.2 Centrifugal casting 38 2.1.3 High-frequency melting/injection casting 39 2.1.4 Melt spinning 39 2.1.5 Ball milling and powder consolidation 40 2.2 Structure characterizations 41 2.2.1 X-ray diffraction 41 2.2.2 Optical microscopy and scanning electron microscopy 41 2.2.3 Transmission electron microscopy 42 2.3 Thermal analysis 43 2.3.1 Differential scanning calorimetry 43 2.3.2 Dilatometry 44 2.4 Measurement of the elastic constants 44 2.5 Compression and tensile tests 44 3 Strategy for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites 46 3.1 Theoretical analysis for the formation of CuZr-based BMG composites 46 3.2 Nature of the eutectoid B2 CuZr transformation 49 3.2.1 Shift of endothermic peak(s) related to the eutectoid B2 transformation 49 3.2.2 Thermal stability of the B2 CuZr phase 52 3.3 Formation of the amorphous phase and the B2 CuZr phase 54 3.4 A new parameter for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites 57 3.5 Conclusions 59 4 Synthesis of CuZr-based BMG composites 60 4.1 Formation of Type I alloys 60 4.2 Formation of Type II alloys 62 4.2.1 Formation and microstructures of the Cu50Zr50 BMG composites 62 4.2.2 Formation and microstructures of the Cu-Zr-Ti BMG composites 67 4.2.3 Formation and microstructures of the Cu-Zr-Al and Cu-Zr-Ag BMG composites 70 4.3 Formation of Type III alloys 74 4.4 Conclusions 76 5 Processing routes for CuZr-based BMG composites 78 5.1 Influence of the melting current/time 78 5.2 Adjusting the cooling rate 81 5.3 Re-melting of the pre-alloy 82 5.4 Introduction of boron nitride particles 84 5.5 Effect of TaW inoculation 87 5.6 “Flash annealing” 93 5.7 Conclusions 100 6 Yielding and deformation mechanisms of CuZr-based BMG composites 101 6.1 Formation and microstructures of Cu47.5Zr47.5Al5 BMG composites 101 6.2 Deformation behavior of Cu47.5Zr47.5Al5 BMG composites 105 6.3 Yielding and plastic deformation mechanisms 110 6.3.1 Yielding and plastic deformation during stage I 110 6.3.2 Yielding and plastic deformation during stage II 113 6.3.3 Yielding and plastic deformation during stage III 114 6.3.4 Plastic deformation during stage IV 118 6.3.5 Fracture behavior 120 6.4 Modeling of the “yielding” behavior 121 6.5 Conclusions 124 7 Martensitic transformation behavior in CuZr-based alloys 126 7.1 Electronic structures and martensitic transformation 126 7.1.1 Electronic structures of the B2 CuZr phase 127 7.1.2 Electronic structures of CuZr martensites 129 7.2 Effect of minor additions on the martensitic transformation 130 7.2.1 Formation of Cu-Zr-Ti crystalline samples 130 7.2.2 Effect of Ti element on the martensitic transformation 133 7.2.3 Effect of minor elements on the martensitic transformation temperature 135 7.3 Martensitic transformation in rapidly solidified alloys 139 7.3.1 Martensitic transformation in the as-cast Cu50Zr50 alloys 140 7.3.2 Martensitic transformation in the as-cast Cu-Zr-Al alloys 142 7.4 Conclusions 145 8 Shear banding process of CuZr-based BMG composites 146 8.1 Serrated flow in CuZr-based BMG composites 146 8.2 Statistical analysis of the serrations for brittle and ductile BMGs 148 8.3 Different statistical results of the serration events for CuZr-based BMG composites during deformation 152 8.4 Energy criteria for serrations in CuZr-based BMG and their composites 155 8.5 Conclusions 158 9 Summary and Outlook 160 Publications 162 Acknowledgements 163 References 164 Schriftliche Erklärung 191 / In letzter Zeit zeigte sich, dass massive Cu-Zr-basierte metallische Glaskomposite, welche B2 CuZr-Kristallite in der amorphen Matrix enthalten, eine ausgeprägte Plastizität mit klarer Kaltverfestigung aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, eine Strategie zur zielgenauen Einstellung der Phasenbildung und des dazugehörigen Gefüges von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen bereitzustellen, sowie deren Fließ- und Verformungsmechanismen aufzuklären. Es wurden elf verschiedene CuZr-basierte Legierungssysteme, insgesamt 36 verschiedene Zusammensetzungen, während Heiz- und Abschreckprozessen untersucht, um die Phasenbildung samt Gefüge von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen zielgenau einzustellen. Bei CuZr-basierten metallischen Gläsern kann eine endotherme Reaktion zwischen Kristallisation und Schmelzvorgang der eutektoiden Umwandlung von B2 CuZr zugeordnet werden. Mit Zugabe verschiedener Elemente zur CuZr-Basislegierung kann diese Umwandlung zu höheren bzw. niedrigeren Temperaturen verschoben werden. Bereits geringe Beimischungen beeinflussen die thermische Stabilität der B2 CuZr-Phase. Unter Berücksichtigung der thermischen Stabilität, sowie des Widerstands gegen Kristallisation der unterkühlten Schmelze und der B2 CuZr-Phase wurde eine neue Strategie zur Auswahl des Zusammensetzungsgebiets metastabiler CuZr-Legierungen verschiedener Durchmesser vorgeschlagen. Dieser Widerstand kann durch den Parameter K=Tf/TL beschrieben werden, wobei Tf die Endtemperatur der eutektoiden Umwandlung und TL die Liquidustemperatur sind. Basierend auf diesem Parameter können die untersuchten CuZr-basierten Legierungen in drei Klassen unterteilt werden. Für Legierungen vom Typ I mit niedrigeren K-Werten, ist es schwer massive metallische Glas-Komposite (BMG-Komposite) zu erhalten. Im Gegensatz dazu lassen sich für Legierungen vom Typ III, mit höheren K-Werten, BMG-Komposite mit größeren Probendurchmessern herstellen und Legierungen vom Typ II mit einem mittleren K-Wert mit moderaten Probendurchmessern erzeugt werden. Folglich wurden CuZr-basierte Glas-Matrix-Komposite verschiedener Legierungssysteme mit B2-Phase in der amorphen Matrix erfolgreich in unterschiedlichen Geometrien hergestellt. Zur Kontrolle der Ausbildung der B2-Phase in der amorphen Matrix wurden unterschiedliche Methoden verwendet, um duktile CuZr-basierte BMG-Komposite herzustellen: (1) Einbringen von unlöslichen, hochschmelzenden Partikeln; (2) geeignete Wiederaufschmelzbehandlungen der Vorlegierungen; (3) eine neue Schnellerhitzungs- und -Abschreckmethode. Es konnte gezeigt werden, dass der Volumenanteil, sowie die Größe und Verteilung der B2-Phase in der amorphen Matrix durch die oben genannten Methoden kontrolliert werden können. Um die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich des Fließens und der plastischen Deformationsmechanismen von CuZr-basierten BMG-Kompositen aufzuklären, wurden diese näher mittels Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Durchstrahlungs-elektronenmikroskopie untersucht. Mit sinkendem Volumenanteil der amorphen Phase (famor) von 100 vol.% auf 0 vol.% kann ein Übergang von einer über zwei zu drei Fließgrenzen beobachtet werden. Für monolithische CuZr-basierte BMGs und ihre Komposite mit einem Anteil famor ≥ 97.5 ± 0.5vol.% erfolgt das Fließen ab einer Stauchung von ~2% durch Ausbildung von mehreren Scherbänden in der amorphen Matrix bzw. dem Zusammenwirken des dazugehörigen Scherens und der Martensitumwandlung. Bei einem Anteil famor unter 97.5 ± 0.5 vol.% findet ein Fließen bei niedrigerer Stauchung von ~1% statt. Dies geschieht aufgrund des Fließens und der beginnenden martensitischen Umwandlungen der B2 CuZr-Phase. Bei einem Anteil famor größer als 55 ± 3 vol.% kann ein Fließen oberhalb einer Stauchung von 8% durch die Interaktion von Versetzungen bei hoher Versetzungsdichte sowie partiellem „Entzwillingen“, beobachtet werden. Es wurde herausgefunden, dass mit sinkendem famor der Verformungsmechanismus schrittweise von einem Scherband dominierten zu einem von der martensitischen Umwandlung dominierten Mechanismus übergeht. Dieser Übergang führt zu Unterschieden in der plastischen Verformung. Da für das Verformungsverhalten von CuZr-basierten BMG-Kompositen die deformationsinduzierte martensitische Umwandlung und die Entstehung sowie Ausbreitung von Scherbändern von herausragender Bedeutung sind, wurden sie näher untersucht. Einerseits wurde herausgefunden, dass die Umwandlungstemperatur der martensitischen Umwandlung von CuZr-basierten martensitischen Legierungen in klarer Beziehung zur entsprechenden Elektronenstruktur und der Gitterkonstanten der äquiatomaren intermetallischen CuZr-Phasen stehen. Die martensitischen Umwandlungstemperaturen der untersuchten Legierungen können über die mittlere Valenzelektronenkonzentration ausgewertet werden. Zusätzliche Elemente mit größerem Atomradius können die Stapelfehlerenergie und die Ladungsdichteverteilung ändern, was in unterschiedliche Elektronenstrukturen mündet. Andererseits ist die Entstehung und Vervielfachung von Scherbändern in CuZr-basierten BMG-Kompositen verbunden mit der Speicherung und Dissipation der partiellen elastischen Energie während der plastischen Verformung. Durch das Einbringen von Gefügeinhomogenitäten unterschiedlicher Größe in die Glasmatrix, wird die elastische Energie, die im System Probe-Maschine gespeichert ist, während der plastischen Deformation umverteilt. Dies führt zu einem Übergang des Schervorgangs von chaotischem Verhalten zu einem selbstorganisierten kritischen Zustand. Insgesamt stellen unsere Untersuchungen und Beobachtungen ein Verständnis der Ausbildung, Verfomung und Gefügeoptimierung von CuZr-basierten BMG-Kompositen bereit und sollen als Leitfaden zur Verbesserung der Duktilität bzw. Zähigkeit von BMGs dienen.:Contents Abstract V Kurzfassung IX 1 Theoretical background 1 1.1 Development of metallic glasses 1 1.2 Formation of metallic glasses 3 1.2.1 Thermodynamic considerations 5 1.2.2 Kinetic considerations 7 1.2.3 Structural considerations 10 1.3 Mechanical properties of metallic glasses 14 1.4 Deformation mechanisms of metallic glasses 18 1.4.1 Shear transformation zone theory 18 1.4.2 Free volume model 20 1.4.3 Potential energy landscape theory 21 1.4.4 Cooperative Shearing Model 22 1.5 Strategies to improve the ductility of metallic glasses 24 1.5.1 Nano-scaled microstructural inhomogeneities 25 1.5.2 Micro-scaled microstructural inhomogeneities 28 1.5.3 CuZr-based BMG composites 31 2 Experimental techniques 37 2.1 Sample preparation 37 2.1.1 Arc melting/suction casting 37 2.1.2 Centrifugal casting 38 2.1.3 High-frequency melting/injection casting 39 2.1.4 Melt spinning 39 2.1.5 Ball milling and powder consolidation 40 2.2 Structure characterizations 41 2.2.1 X-ray diffraction 41 2.2.2 Optical microscopy and scanning electron microscopy 41 2.2.3 Transmission electron microscopy 42 2.3 Thermal analysis 43 2.3.1 Differential scanning calorimetry 43 2.3.2 Dilatometry 44 2.4 Measurement of the elastic constants 44 2.5 Compression and tensile tests 44 3 Strategy for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites 46 3.1 Theoretical analysis for the formation of CuZr-based BMG composites 46 3.2 Nature of the eutectoid B2 CuZr transformation 49 3.2.1 Shift of endothermic peak(s) related to the eutectoid B2 transformation 49 3.2.2 Thermal stability of the B2 CuZr phase 52 3.3 Formation of the amorphous phase and the B2 CuZr phase 54 3.4 A new parameter for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites 57 3.5 Conclusions 59 4 Synthesis of CuZr-based BMG composites 60 4.1 Formation of Type I alloys 60 4.2 Formation of Type II alloys 62 4.2.1 Formation and microstructures of the Cu50Zr50 BMG composites 62 4.2.2 Formation and microstructures of the Cu-Zr-Ti BMG composites 67 4.2.3 Formation and microstructures of the Cu-Zr-Al and Cu-Zr-Ag BMG composites 70 4.3 Formation of Type III alloys 74 4.4 Conclusions 76 5 Processing routes for CuZr-based BMG composites 78 5.1 Influence of the melting current/time 78 5.2 Adjusting the cooling rate 81 5.3 Re-melting of the pre-alloy 82 5.4 Introduction of boron nitride particles 84 5.5 Effect of TaW inoculation 87 5.6 “Flash annealing” 93 5.7 Conclusions 100 6 Yielding and deformation mechanisms of CuZr-based BMG composites 101 6.1 Formation and microstructures of Cu47.5Zr47.5Al5 BMG composites 101 6.2 Deformation behavior of Cu47.5Zr47.5Al5 BMG composites 105 6.3 Yielding and plastic deformation mechanisms 110 6.3.1 Yielding and plastic deformation during stage I 110 6.3.2 Yielding and plastic deformation during stage II 113 6.3.3 Yielding and plastic deformation during stage III 114 6.3.4 Plastic deformation during stage IV 118 6.3.5 Fracture behavior 120 6.4 Modeling of the “yielding” behavior 121 6.5 Conclusions 124 7 Martensitic transformation behavior in CuZr-based alloys 126 7.1 Electronic structures and martensitic transformation 126 7.1.1 Electronic structures of the B2 CuZr phase 127 7.1.2 Electronic structures of CuZr martensites 129 7.2 Effect of minor additions on the martensitic transformation 130 7.2.1 Formation of Cu-Zr-Ti crystalline samples 130 7.2.2 Effect of Ti element on the martensitic transformation 133 7.2.3 Effect of minor elements on the martensitic transformation temperature 135 7.3 Martensitic transformation in rapidly solidified alloys 139 7.3.1 Martensitic transformation in the as-cast Cu50Zr50 alloys 140 7.3.2 Martensitic transformation in the as-cast Cu-Zr-Al alloys 142 7.4 Conclusions 145 8 Shear banding process of CuZr-based BMG composites 146 8.1 Serrated flow in CuZr-based BMG composites 146 8.2 Statistical analysis of the serrations for brittle and ductile BMGs 148 8.3 Different statistical results of the serration events for CuZr-based BMG composites during deformation 152 8.4 Energy criteria for serrations in CuZr-based BMG and their composites 155 8.5 Conclusions 158 9 Summary and Outlook 160 Publications 162 Acknowledgements 163 References 164 Schriftliche Erklärung 191

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.

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.

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.