In this thesis, the effect of mechanical deformation on structure, thermal stability and hardness of a single-phase spray-deposited quasicrystalline alloy with composition Al62.5Cu25Fe12.5 has been investigated in detail. The purpose of the investigation was to study the effect of mechanical milling at different milling speeds (which approximately scale with the milling intensity) on mechanically-induced phase transformations during milling and on the phase evolution during subsequent heating. The results of the milling experiments indicate that, irrespective of the milling speeds used, mechanical milling of Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystals leads to the formation of a disordered CsCl-type ß phase with grain size of about 10 – 20 nm. The analysis of the kinetics of the QC–to–ß phase transformation reveals that the milling intensity has a considerable effect on the characteristics of the transformation. The increase of the milling speed considerably shortens the incubation time needed to start the QC–to–ß phase transformation. Also, the overall transformation is much faster for milling at high speeds. The QC–to–ß phase transformation starts when the grain size of the quasicrystals is reduced to about 10 nm irrespective of the milling speed used and clearly indicates that a critical grain size of the quasicrystals for initiating the transformation exists. On the other hand, no critical value of lattice strain was found for the QC–to–ß transformation. This indicates that the phase transformation is controlled by the local length scale (i.e. the grain size) and by the corresponding grain boundaries rather than by the energy stored in the lattice. Energetic considerations obtained through a simple model based on the mass and velocity of the milling balls reveal that the energy needed for the QC–to–ß transformation increases with increasing the milling speed, that is, the energetic efficiency of the process decreases with increasing the milling intensity. This indicates that part the extra energy supplied during milling at high intensities is not used to induce the phase transformation but it is dissipated by heat. During heating, the milled powder displays a multi-step thermal behavior characterized by the grain growth of the disordered ß phase at low temperatures, followed, at higher temperatures, by its transformation into the original icosahedral quasicrystalline phase. The transformation is gradual and the quasicrystals and the disordered ß phase coexist over a temperature interval of more than 250 K. The phase transformations occurring during milling and subsequent annealing have a remarkable effect on the hardness, which can be tuned within a wide range of values (7–9.6 GPa) as a function of the volume fraction of the different phases. This suggests that a composite material with optimized mechanical properties can be produced by an appropriate thermo-mechanical treatment. The quasicrystals milled at a very low speed show a transition between Hall-Petch to inverse Hall-Petch behavior at a grain size of about 40 nm, which represents the critical value for grain size softening of the present Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystals. This behavior may be attributed to the complexity of the quasicrystalline structure and to its peculiar deformation mechanism at room temperature (i.e. shear banding), where meta-dislocation-assisted deformation is almost absent. In order to analyze the effectiveness of the Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystals as reinforcing agent in metal matrix composites, Al-based composites were synthesized by hot extrusion of elemental Al blended with different amounts of Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystalline particles. The work was focused on two specific aspects: evaluation of the mechanical properties through room temperature compression tests and modeling of the resulting properties. The addition of the quasicrystalline reinforcement is very effective for improving the room temperature mechanical properties of pure Al. The compressive strength increases from 155 MPa for pure Al to 330 and 407 MPa for the composites with 20 and 40 vol.% of reinforcement, respectively, reaching an ultimate strain of 55 % and 20 % before fracture occurs. These results indicate that the addition of the QC reinforcement leads to composite materials with compressive strengths exceeding that of pure Al by a factor of 2 – 2.5, while retaining appreciable plastic deformation. The mechanical properties of the composites have been modeled by taking into account the combined effect of load bearing, dislocation strengthening and matrix ligament size effects. The calculations are in very good agreement with the experimental results and reveal that the reduction of the matrix ligament size, which results in a similar strengthening effect as that observed for grain refinement, is the main strengthening mechanism in the current composites. Finally, the interfacial reaction between the Al matrix and the QC reinforcement has been used to further enhance the strength of the composites through the formation of a new microstructure consisting of the Al matrix reinforced with Al7Cu2Fe w-phase particles. The optimization of the structure-property relationship was done through the systematic variation of the processing temperature during consolidation. The mechanical behavior of these transformation-strengthened composites is remarkably improved compared to the parent material. The yield strength of the composites significantly increases as the Al + QC -> ω transformation progresses from 195 MPa for the sample reinforced only with QC particles to 400 MPa for the material where the Al + QC -> ω reaction is complete. These results clearly demonstrate that powder metallurgy, i.e. powder synthesis by ball milling followed by consolidation into bulk specimens, is an attractive processing route for the production of novel and innovative lightweight composites characterized by high strength combined with considerable plastic deformation. In addition, these findings indicate that the mechanical behavior of Al-based composites reinforced with Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystalline particles can be tuned within a wide range of strength and plasticity depending on the volume fraction of the reinforcement as well as on the extent of the interfacial reaction between Al matrix and QC reinforcing particles.

Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

In this thesis, the effect of mechanical deformation on structure, thermal stability and hardness of a single-phase spray-deposited quasicrystalline alloy with composition Al62.5Cu25Fe12.5 has been investigated in detail. The purpose of the investigation was to study the effect of mechanical milling at different milling speeds (which approximately scale with the milling intensity) on mechanically-induced phase transformations during milling and on the phase evolution during subsequent heating. The results of the milling experiments indicate that, irrespective of the milling speeds used, mechanical milling of Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystals leads to the formation of a disordered CsCl-type ß phase with grain size of about 10 – 20 nm. The analysis of the kinetics of the QC–to–ß phase transformation reveals that the milling intensity has a considerable effect on the characteristics of the transformation. The increase of the milling speed considerably shortens the incubation time needed to start the QC–to–ß phase transformation. Also, the overall transformation is much faster for milling at high speeds. The QC–to–ß phase transformation starts when the grain size of the quasicrystals is reduced to about 10 nm irrespective of the milling speed used and clearly indicates that a critical grain size of the quasicrystals for initiating the transformation exists. On the other hand, no critical value of lattice strain was found for the QC–to–ß transformation. This indicates that the phase transformation is controlled by the local length scale (i.e. the grain size) and by the corresponding grain boundaries rather than by the energy stored in the lattice. Energetic considerations obtained through a simple model based on the mass and velocity of the milling balls reveal that the energy needed for the QC–to–ß transformation increases with increasing the milling speed, that is, the energetic efficiency of the process decreases with increasing the milling intensity. This indicates that part the extra energy supplied during milling at high intensities is not used to induce the phase transformation but it is dissipated by heat. During heating, the milled powder displays a multi-step thermal behavior characterized by the grain growth of the disordered ß phase at low temperatures, followed, at higher temperatures, by its transformation into the original icosahedral quasicrystalline phase. The transformation is gradual and the quasicrystals and the disordered ß phase coexist over a temperature interval of more than 250 K. The phase transformations occurring during milling and subsequent annealing have a remarkable effect on the hardness, which can be tuned within a wide range of values (7–9.6 GPa) as a function of the volume fraction of the different phases. This suggests that a composite material with optimized mechanical properties can be produced by an appropriate thermo-mechanical treatment. The quasicrystals milled at a very low speed show a transition between Hall-Petch to inverse Hall-Petch behavior at a grain size of about 40 nm, which represents the critical value for grain size softening of the present Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystals. This behavior may be attributed to the complexity of the quasicrystalline structure and to its peculiar deformation mechanism at room temperature (i.e. shear banding), where meta-dislocation-assisted deformation is almost absent. In order to analyze the effectiveness of the Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystals as reinforcing agent in metal matrix composites, Al-based composites were synthesized by hot extrusion of elemental Al blended with different amounts of Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystalline particles. The work was focused on two specific aspects: evaluation of the mechanical properties through room temperature compression tests and modeling of the resulting properties. The addition of the quasicrystalline reinforcement is very effective for improving the room temperature mechanical properties of pure Al. The compressive strength increases from 155 MPa for pure Al to 330 and 407 MPa for the composites with 20 and 40 vol.% of reinforcement, respectively, reaching an ultimate strain of 55 % and 20 % before fracture occurs. These results indicate that the addition of the QC reinforcement leads to composite materials with compressive strengths exceeding that of pure Al by a factor of 2 – 2.5, while retaining appreciable plastic deformation. The mechanical properties of the composites have been modeled by taking into account the combined effect of load bearing, dislocation strengthening and matrix ligament size effects. The calculations are in very good agreement with the experimental results and reveal that the reduction of the matrix ligament size, which results in a similar strengthening effect as that observed for grain refinement, is the main strengthening mechanism in the current composites. Finally, the interfacial reaction between the Al matrix and the QC reinforcement has been used to further enhance the strength of the composites through the formation of a new microstructure consisting of the Al matrix reinforced with Al7Cu2Fe w-phase particles. The optimization of the structure-property relationship was done through the systematic variation of the processing temperature during consolidation. The mechanical behavior of these transformation-strengthened composites is remarkably improved compared to the parent material. The yield strength of the composites significantly increases as the Al + QC -> ω transformation progresses from 195 MPa for the sample reinforced only with QC particles to 400 MPa for the material where the Al + QC -> ω reaction is complete. These results clearly demonstrate that powder metallurgy, i.e. powder synthesis by ball milling followed by consolidation into bulk specimens, is an attractive processing route for the production of novel and innovative lightweight composites characterized by high strength combined with considerable plastic deformation. In addition, these findings indicate that the mechanical behavior of Al-based composites reinforced with Al62.5Cu25Fe12.5 quasicrystalline particles can be tuned within a wide range of strength and plasticity depending on the volume fraction of the reinforcement as well as on the extent of the interfacial reaction between Al matrix and QC reinforcing particles.