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Thermodynamic stability and solid solution hardening effects of CrMnFeCoNi based high entropy alloys

Keil, Tom Christopher (2022)
Thermodynamic stability and solid solution hardening effects of CrMnFeCoNi based high entropy alloys.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022097
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Thermodynamic stability and solid solution hardening effects of CrMnFeCoNi based high entropy alloys
Language: English
Referees: Durst, Prof. Dr. Karsten ; Wilde, Prof. Dr. Gerhard
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 149 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 27 July 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022097
Abstract:

High entropy alloys (HEAs) are a novel class of alloys, which emerged in 2004, containing five or more constituent elements in equiatomic or near-equiatomic ratio. On the one hand, this alloying concept opens up a vast compositional range and consequently a wide range of interesting properties, and on the other hand, it represents a break with classical metallurgy as there is no differentiation between solute and solvent species. The present thesis focuses on the change in properties by changing the overall allying concept from conventional alloys to HEAs. Diffusion couples or discrete sample compositions were used to investigate the thermodynamic stability and solid solution hardening effects in face- centered cubic (fcc) CrMnFeCoNi based HEAs. Diffusion couples were produced to investigate the phase stability as well as solid solution hardening effects within wide chemical gradients. The individual solubility limits of the different constituents are identified and discussed within the context of different phase stability models. Solid solution hardening was investigated up the phase boundary with an emphasis on the effects of the different constituents on the hardening behavior. The experimental nanoindentation hardness was analyzed using the classical Labusch solid solution hardening model as well as the more recent model from Varvenne and Curtin, which is specifically designed for equiatomic fcc HEAs. Discrete sample compositions based on the pseudo-binary (CrMnFeCo)1-xNix HEA system were used to study the transition behavior from a pure element over dilute solid solutions to HEAs with an focus on the effects of solutes on the microstructural refinement during deformation and on the microstructural stability during subsequent annealing. After high pressure torsion deformation, an inverse correlation was found between saturation grain size and solid solution hardening contribution for both dilute solid solutions as well as HEAs, i.e., the higher the solid solution hardening contribution, the lower the saturation grain size. Additionally, alloys with a higher solute concentration show an enhanced thermal stability in terms of grain growth, which can be attributed to the kinetic stabilization due to pinning effects (Solute and Zener drag).

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Hochentropielegierungen (engl. HEAs) sind eine neue Klasse von Legierungen, die erstmals 2004 aufkam und fünf oder mehr Elemente in einem equiatomaren oder nahezu equiatomaren Verhältnis enthält. Einerseits eröffnet dieses Legierungskonzept eine große Anzahl möglicher Zusammensetzungen und damit eine Vielzahl interessanter Eigenschaften. Andererseits stellt es einen Bruch mit der klassischen Metallurgie dar, da es keine Unterscheidung zwischen Matrixatom und Fremdatom möglich ist. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich hierbei auf die Entwicklung der Eigenschaften bei Änderung des allgemeinen Legierungskonzepts von herkömmlichen Legierungen hin zu HEAs. Zur Untersuchung der thermodynamischen Stabilität und der Mischkristallhärtung in kubisch-flächenzentrierten (kfz) CrMnFeCoNi basierten HEAs wurden entweder Diffusionspaare oder diskrete Probenzusammensetzungen verwendet. Mittels Diffusionspaaren wurde die Phasenstabilität und die Mischkristallhärtung innerhalb großer chemischer Gradienten untersucht. Die individuellen Löslichkeitsgrenzen der verschiedenen Elemente wurden identifiziert und im Rahmen verschiedener Phasenstabilitätsmodelle diskutiert. Die Mischkristallhärtung wurde bis hin zur Phasengrenze untersucht, wobei der Fokus auf den elementspezifischen Effekten auf die resultierende Härte lag. Die experimentelle Nanoindentationshärte wurde anhand des klassischen Labusch Mischkristallhärtemodells sowie des neueren Modells von Varvenne und Curtin analysiert, welches speziell für equiatomare, kubisch-flächenzentrierte HEAs entwickelt wurde. Diskrete Probenzusammensetzungen, die auf dem pseudo-binären (CrMnFeCo)1-xNix HEA-System basieren, wurden verwendet, um das Übergangsverhalten von einem reinen Element über verdünnte Mischkristalle bis hin zu equiatomaren HEAs zu untersuchen. Hierbei stand der Einfluss der Fremdatome auf die Kornfeinung während der Verformung und auf die mikrostrukturelle Stabilität während des anschließenden Wärmebehandlungsprozesses im Fokus. Nach einer Hochdruck-Torsionsverformung wurde eine inverse Korrelation zwischen der Sättigungskorngröße und dem Beitrag der Mischkristallhärtung sowohl für verdünnte Mischkristalle als auch für HEAs festgestellt, d.h. je höher der Beitrag der Mischkristallhärtung, desto geringer die Sättigungskorngröße. Darüber hinaus zeigen die Legierungen mit einer höheren Femdatomkonzentration eine erhöhte thermische Stabilität in Bezug auf das Kornwachstum, was auf die kinetische Stabilisierung durch Pinning-Effekte (Fremdatom- und Zener-Pinning) zurückgeführt werden kann.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-220973
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physical Metallurgy
TU-Projects: DFG|DU424/13-1|Thermomechanische Ei
Date Deposited: 31 Aug 2022 11:09
Last Modified: 01 Sep 2022 11:08
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22097
PPN: 498751074
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