Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7057
Phasengleichgewicht in nanoskaligen binären Legierungspartikeln
Peter Bunzel
Zusammenfassung
In makroskopischen Legierungssystemen kann der Beitrag
der Kapillarenergie der Grenz-flächen zwischen den verschiedenen Phasen zur
freien Enthalpie der Legierung bei der Bestimmung von Phasengleichgewichten im allgemeinen vernachlässigt werden. Im Gegensatz dazu trägt
die Kapillarenergie dieser Grenzflächen in einem genügend kleinen
Legierungspartikel merklich zur freien Enthalpie des Systems bei. Unter
Berücksichtigung dieses Energiebeitrags werden größenabhängige Funktionen der
freien Enthalpie für ein idealisiertes Legierungspartikel aufgestellt, welches
aus einer einfachen eutektischen binären Legierung besteht. Anhand dieser
Funktionen werden Phasengleichgewichte bestimmt, um größenabhängige
Legierungsphasendiagramme zu erstellen. Zusätzlich werden DSC-Messkurven für
das System simuliert, um einen qualitativen Vergleich mit realen Messungen zu
ermöglichen. Es wird gezeigt, dass es aufgrund der Kapillarenergie zu
qualitativen Änderungen im Phasendiagramm kommt, wie z.B. dem Verlust der
Invarianz der Solidustemperatur und eine Entartung des eutektischen Punktes zu
einem Konzentrationsintervall, in welchem die Legierung diskontinuierlich
schmilzt. Für einen qualitativen Vergleich des Modells mit einem realen System
werden Bi-Cd-Legierungspartikel, welche in einer Al-Matrix eingebettet sind,
als experimentelles Modellsystem synthetisiert. Eine Probenserie, deren
Bi-Cd-Zusammensetzungen den gesamten Cd-Konzentrationsbereich abdeckt, wird mit Hilfe von TEM-Untersuchungen und
DSC-Messungen erforscht. Hierbei wird gezeigt, dass bei kleinen
Legierungspartikeln ein Verlust der Invarianz der Solidustemperatur auftritt.
Phase
Equilibrium in Nanoscale Binary Alloy Particles
Abstract
In
macroscopic alloy systems the contribution of the capillary energy of
interfaces between different phases to the free energy of an alloy may generally
be neglected in the determination of phase equilibria. By contrast, in a
sufficiently small alloy particle the capillary energy of the internal
interfaces contribute significantly to the free energy of the system. Regarding
this energy contribution, size dependent free energy functions are modeled for
an idealized alloy particle consisting of a simple eutectic binary alloy. With
these functions, the phase equilibria are determined, to construct size
dependent phase diagrams. Additionally, DSC measurements are simulated to allow
a qualitative comparison with measurements on real systems. It is shown that
the capillary energy leads to qualitative changes in the phase diagram like,
for instance, a loss of the invariance of the solidus temperature and the
degeneration of the eutectic point into an interval of composition where the
alloy melts discontinuously. For a qualitative comparison of the theoretical
model with a real system, Bi-Cd alloy particles embedded in an Al matrix are
synthesized as an experimental model system. A sample series with Bi-Cd
compositions covering the entire Cd concentration range is investigated with
TEM examinations and DSC measurements. It is shown that for small alloy
particle sizes there is a loss of the invariance of the solidus temperature of
the Bi-Cd alloy.
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