Neutronenkleinwinkelstreuung an Guinier-Preston-Zonen in Aluminium-Kupfer-Legierungen

Eine Reihe von Legierungen wie $\underline{Al}$Cu, $\underline{Al}$Zn, $\underline{Al}$Mg, $\underline{Al}$Ag, $\underline{Mg}$Ce, $\underline{Cu}$Be u.a.zeigen das Phänomen der Ausscheidungshärtung, das von großer technologischer Bedeutung ist, da es die Verwendung dieser Legierungen als Werkstoffe ermöglicht. Die Ausscheidungshärtung tritt auf in solchen Systemen, bei denen die Löslichkeit für ein Fremdatom (wie Cu in Al) mit der Temperatur fällt, und bei denen sich aus einem übersättigten Mischkristall metastabile Ausscheidungen bilden, die mit der Matrix kohärent sind. Metastabile Ausscheidungen können sich nur bilden, wenn die thermodynamische Gleichgewichtsphase mit der Matrix inkohärent ist, so daß ihre Bildung durch eine Oberflächenenergie zwischen den bei den Phasen erschwert ist. Bei den oben aufgeführten Legierungen ist das der Fall. Oft gibt es mehr als eine metastabile Phase, wie im System $\underline{Al}$Cu. Neben der Gleichgewichtsphase $\theta$ (Al$_{2}$Cu) gibt es hier drei metastabile Ausscheidungen (Guinier-Preston-Zonen I (GPI), $\theta"$ und $\theta '$). Die Susscheidungen GPI und $\theta "$, die mit der Matrix kohärent sind, sind für die Aushärtung der Legierung verantwortlich. Die semikohärente Phase $\theta '$ trägt nur weni9 zur Härte bei. In dieser Arbeit sollen ausschließlich die GPI-Zonen untersucht werden. Es gibt eine große Fülle von Arbeiten über die Struktur der GPI-Zonen in $\underline{Al}$Cu. Es kann als gesichert angesehen werden, daß diese Zonen aus kupferreichen Plättchen auf Gitterebenen (100) bestehen. Die Zonen sind 1 - 3 Atomlagen dick und haben Durchmesser von 20 - 80 $\mathring{A}$. Die Nachbaraluminiumebenen sind auf die Plättchen hin verschoben. Die Zonen lassen sich bei der Keimbildung durch uniaxialen Druck ausrichten. Trotz der umfangreichen Untersuchungen ist aber noch eine Reihe von Fragen offen geblieben. So ist es umstritten, welcher Bruchteil des Cu sich in Zonen ausscheidet, und wie dieser Bruchteil von der Ausgangskonzentration, der Anlaßtemperatur und der Anlaßzeitabhängt. Ebenfalls umstritten ist die Zusammensetzung des Plättchens und die genaue Zahl der Ebenen im Plättchen. Es war das Anliegen dieser Arbeit, einen Teil der offenen Fragen mit Hilfe der Kleinwinkelneutronenstreuung zu klären. Die Kleinwinkelstreuung (KWS) gibt nur indirekt Aufschluß über die Struktur der Zonen im atomaren Bereich. Dazu müssen andere Techniken, wie diffuse Streuung oder EXAFS, verwendet werden. Die KWS ist aber hervorragend geeignet, Details der Struktur, die größer als $\approx$ 10 $\mathring{A}$ sind, zu untersuchen. Insbesondere lassen sich die Gesamtmenge des Cu in den Zonen, der Radius der Zonen und ihr Verzerrungsfeld bestimmen. Diese Informationen sind ihrerseits wieder nötig, um die Analyse von EXAFS-Daten und auch von diffusen Streudaten genauer durchführen zu können. In den Abschnitten 2 und 3 werden die bisher an den Ausscheidungen im System $\underline{Al}$Cu durchgeführten Arbeiten ausführlich besprochen. Es werden die gesicherten Fakten und die offenen Fragen zusammengestellt. Im Abschnitt 4 wird das Streugesetz für die Neutronen-KWS angegeben. Im Abschnitt 5 folgen exerimentelle Details über die Probenpräparation, über ihre Chrarakterisierung durch TEM und über die Neutronen-KWS-Apparatur. Im Abschnitt 6 wird ein Versetzungsringmodell für eine GPI-Zone in $\underline{Al}$Cu vorgestellt und hierfür der KW-Streuquerschnitt berechnet. Im Abschnitt 7 werden die Meßergebnisse gegeben und diskutiert. Schließlich enthält Abschnitt 8 eine Zusammenfassung der erhaltenen Resultate