Hoch manganhaltige Eisenbasislegierungen sind bei Raumtemperatur austenitisch und antiferromagnetisch (afm). Dabei besteht die Besonderheit, dass sich durch Legierung die afm Übergangstemperatur (Néeltemperatur) so einstellen lässt, dass sie nahe Raumtemperatur liegt. FeMn-Basislegierungen zeigen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung Transformation Induced Plasticity (TRIP) und/oder Twinning Induced Plasticity (TWIP), d.h. die niedrige Stapelfehlerenergie dieser Legierungen führt zu verformungsinduzierter, metastabiler Phasenbildung (TRIP) bzw. zur Bildung von Verformungszwillingen (TWIP) und dadurch zu außerordentlich hoher Duktilität bei gleichzeitig hoher Verfestigung. Darüber hinaus haben FeMn-Basislegierungen einen ausgeprägten Magnetovolumeneffekt und magnetoelastischen Effekt durch magnetische Ordnung. Daher sind die untersuchten FeMnNiCr-Basislegierungen auch prototypisch für afm Élinvarlegierungen. Da Élinvar jedoch für invariable Elastizität steht, bedingt eine Anwendung als temperaturkompensierte Konstantmodullegierungen die Glättung der ausgeprägten magnetischen Anomalien, die industriell noch in keiner Anwendung realisiert wurde. Der Vorteil dies für eine Anwendung zu erreichen, läge in der Unempfindlichkeit feinmechanischer Bauelemente, gegenüber magnetischen Feldern, die bei den industriell verfügbaren ferromagnetischen Élinvarlegierungen nicht gewährleistet ist. Mit Bezug zu feinmechanischen Schwingsystemen spielen dabei neben der Einstellung der magnetoelastischen Eigenschaften die Prozessierbarkeit, Kaltumformbarkeit und Festigkeit sowie deren wechselseitige Beeinflussung eine große Rolle. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Anwendbarkeit der untersuchten FeMnNiCr-Legierungen. Dabei wurden grundlegende Untersuchungen zur Plastizität durchgeführt, die die mechanische Zwillingsbildung in diesen Legierungen charakterisiert und ein Modell der mechanischen Zwillingsbildung bei kleinen plastischen Dehnungen vorschlägt, das eine Abschätzung der Stapelfehlerenergie erlaubt. Die Untersuchung des Antiferromagnetismus umgeformter Proben zeigt das Auftreten thermoremanenter Magnetisierung (TRM), deren Größe mit dem Umformgrad der untersuchten Proben skaliert. Sie wird den durch Umformdefekte erzeugten unkompensierten Momenten in der afm Spinstruktur zugeschrieben. Diese werden durch eine magnetische Feldkühlung magnetisiert und koppeln durch Austauschwechselwirkung an die umgebende antiferromagnetische Matrix unterhalb der Néeltemperatur. Das komplexe thermomagnetische Verhalten der unkompensierten Momente wird experimentell beschrieben und phänomenologisch gedeutet. Die Weiterentwicklung und Bewertung technischer, ausscheidbarer FeMnNiCrBe- und FeMnNiCr(Ti, Al)-Legierungen wird mit Bezug zu den grundlegenden Untersuchungen dargestellt. Es wird gezeigt, dass die neu entwickelten ausscheidbaren FeMnNiCr(Ti, Al)-Legierungen eine vielversprechende Ausgangsbasis darstellen, afm Élinvarlegierungen technisch umzusetzen. / High manganese iron-base alloys are austenitic and antiferromagnetic (afm) at room temperature. By further alloying it is possible to tune the afm transition temperature (Néel temperature) near room temperature. FeMn-base alloys show extraordinary strain hardening as well as ductility because of Transformation Induced Plasticity (TRIP) and/or Twinning Induced Plasticty (TWIP), i.e. in dependence on composition the generally low stacking fault energy in these alloys allows for the mechanically induced formation of metastable phases (TRIP) or deformation twinning (TWIP). Furthermore, magnetic order causes distinct magnetovolume and magnetoelastic effects in these afm FeMn-base alloys. The investigated FeMnNiCr-base alloys are therefore prototypic for afm Élinvar alloys. However, as Élinvar is meant for invariant elasticity, an application as temperature compensated alloy with constant elastic modulus requires the smoothing of the pronounced magnetic anomalies, that is not industrially available yet. The advantage of afm Élinvar alloys in precision mechanics applications, would be their impassiveness with respect to magnetic fields that is not achievable by their ferromagnetic counterparts. For precision components like mechanic oscillators not only the tuning of the magnetoelastic properties but also the processing, cold formability and mechanical properties as well as their interplay have strong influence. Therefore this work addresses the applicability of the studied FeMnNiCr alloys. Elementary investigations on plasticity characterise the occurrence of TWIP in these alloys and propose a modell for deformation twinning at low plastic strains that allows for an estimation of the stacking fault energy. The investigations on the antiferromagnetism of deformed samples show the appearance of thermoremanent magnetisation (TRM). Its magnitude scales with the degree of deformation. The TRM is therefore attributed to uncompensated moments in the afm spin structure due to deformation induced defects. These are magnetised by a magnetic field cooling and couple to the afm matrix by exchange interaction below the Néel temperature. The complex thermomagnetic behaviour of the uncompensated moments is experimentally described and phenomenologically explained. The further development and assessment of engineering-grade pecipitable FeMnNiCrBe and FeMnNiCr(Ti, Al) alloys is presented in relation to the aforementioned elementary investigations. It is shown that the newly developped precipitable FeMnNiCr(Ti, Al) alloys are good candidates for afm Élinvar alloys in application.

FCC組織を有する純金属と合金において強ひずみ加工法の1つである側方押出し加工（ECAP）法を用いて超微細結晶材を作製し，ECAPの各段階における力学特性と微細組織を調査した．微細組織形成過程におけるセル壁の形成から結晶粒界の形成に着目し，積層欠陥エネルギーと固溶原子による固溶強化の効果の観点から，強ひずみ加工における加工硬化ステージの推移と微細組織形成の関係を議論した. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

<p>Co and Ni are two major elements in high temperature structural alloys that include superalloys for turbine engines and hard metals for cutting tools. The recent development of complex concentrated alloys (CCAs), loosely defined as alloys without a single principal element (e.g. CoNiFeMn), offers additional opportunities in designing new alloys through extensive composition and structure modifications. Within CCAs and Co- and Ni-based superalloys, solid-solution strengthening and stacking fault energy engineering are two of the most important strengthening mechanisms. While studied for decades, the potency and quantitative materials properties of these mechanisms remain elusive. </p> <p><br></p> <p>Solid-solution strengthening originates from stress field interactions between dislocations and solute of various species in the alloy. These stress fields can be engineered by composition modification in CCAs, and therefore a wide range of alloys with promising mechanical strength may be designed. This thesis initially reports on experimental and computational validation of newly developed theories for solid-solution strengthening in 3d transition metal (MnFeCoNi) alloys. The strengthening effects of Al, Ti, V, Cr, Cu and Mo as alloying elements are quantified by coupling the Labusch-type strengthening model and experimental measurements. With large atomic misfits with the base alloy, Al, Ti, Mo, and Cr present strong strengthening effects comparable to other Cantor alloys. </p> <p> </p> <p>Stacking fault energy engineering can enable novel deformation mechanisms and exceptional strength in face-centered cubic (FCC) materials such as austenitic TRIP/TWIP steels and CoNi-based superalloys exhibiting local phase transformation strengthening via Suzuki segregation. We employed first-principles calculations to investigate the Suzuki segregation and stacking fault energy of the FCC Co-Ni binary alloys at finite temperatures and concentrations. We quantitatively predicted the Co segregation in the innermost plane of the intrinsic stacking fault (ISF). We further quantified the decrease of stacking fault energy due to segregation.  </p> <p><br></p> <p>We further investigated the driving force of segregation and the origin of the segregation behaviors of 3d, 4d and 5d elements in the Co- and Ni-alloys. Using first-principles calculations, we calculated the ground-state solute-ISF interaction energies and revealed the trends across the periodic table. We discussed the relationships between the interaction energies and the local lattice distortions, charge density redistribution, density of states and local magnetization of the solutes. </p> <p><br></p> <p>Finally, this thesis reports on new methodologies to accelerate first-principles calculations utilizing active learning techniques, such as Bayesian optimization, to efficiently search for the ground-state energy line of the system with limited computational resources. Based on the expected improvement method, new acquisition strategies were developed and will be compared and presented. </p>