Mikroprozesse der plastischen Verformung und des Bruchs von polykristallinem Molybdändisilizid

Abstract

Die intermetallische Verbindung Molybdändisilizid (MoSi2) ist auf Grund ihrer hohen Schmelztemperatur von 2030°C und ihrer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit ein sehr interessantes Material für Hochtemperatur-Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Mikroprozesse der plastischen Verformung durch Druckversuche bei Temperaturen zwischen 495°C und 1250°C und anschließender mikroskopischer Analyse der verformten Materials untersucht. Durch In-situ-Dehnversuche in einem Höchstspannungs-Elektronenmikroskop (HVEM) mit einem speziellen Probentisch wurden Verformungsprozesse in MoSi2-Polykristallen erstmals direkt beobachtet. Die plastischer Verformung zu Grunde liegenden Mikroprozesse unterscheiden sich unter- und oberhalb von 1000°C in fundamentaler Weise. Die Übergangstemperatur von 1000°C ist dabei durch die Viskosität einer sich unter hohen Temperaturen und Spannungen bildenden Korngrenzenphase aus SiO2 bestimmt. Unter 1000°C ist diese Phase viskos genug, um Spannungen zu widerstehen, die zur Aktivierung von Gleitsystemen in den Körnern des Polykristalls führen. Die plastische Verformung wird durch planares Gleiten von <100>-Versetzungen auf {011}-Ebenen und ½<111>-Versetzungen auf {110}-Ebenen getragen. Die fehlende Befriedigung des von-Mises-Kriteriums durch diese beiden Gleitsystem-Familien führt zur Generation intergranularer Risse. Da durch Rißgeneration die für das Gleiten der ½<331>-Versetzungen notwendigen hohen Spannungen nicht mehr auf entsprechend orientierte Körner übertragen werden können, fehlen diese Versetzungen im MoSi2-Polykristall. Die von MoSi2-Einkristallen bekannte Fließspannungsanomalie erscheint im Polykristall als Fließspannungsplateau. Da die Anomalie im Einkristall durch Diffusion von Punktdefekten im Versetzungskern erklärt wird, weist die verminderte Ausprägung der Anomalie im Polykristall auf einen stärkerer Einfluß anderer Prozesse auf die Fließspannung hin. Mit zunehmender Temperatur sinkt die Viskosität der Korngrenzenphase und führt oberhalb 1000°C zu visko-elastischer Verformung, ohne daß die dazu notwendigen Initialspannungen zur Aktivierung von Gleitsystemen in den Körnern ausreichen würden. Durch Aufreißen der Korngrenzenphase wird der Prozeß des Korngrenzengleitens irreversibel. Für das Verformungsverhalten oberhalb 1000°C wurde ein Modell entwickelt, das die Eigenschaften eines visko-elastischen Burgers-Körpers mit der beobachteten dehnungsabhängigen Entfestigung verbindet. Der aus diesem Modell resultierende Korrekturfaktor läßt sich dabei als Verminderung des effektiven Probenquerschnitts durch "Auseinanderdrücken" einzelner Körner interpretieren. Aus Kriechexperimenten bestimmte Aktivierungsenergien von 260 bis 380 kJ mol-1 belegen, daß die Hochtemperaturverformung nicht durch Selbstdiffusion sondern durch Diffusion in der Korngrenzenphase getragen wird.

Owing to its high melting temperature (2030°C) and excellent oxidation resistance molybdenum disilicide (MoSi2) is a very interesting material for high-temperature applications. In the present work, the microprocesses of plastic deformation are studied by compression tests in the temperature range between 495 and 1250°C followed by a microscopic analysis of the deformed material. For the first time, the deformation processes in MoSi2 polycrystals were observed directly by in-situ straining experiments in a high-voltage electron microscope using a special tensile stage for high temperatures. The microprocesses of plastic deformation differ fundamentally below and above 1000°C. The transition temperature of 1000°C is determined by the viscosity of a SiO2 grain boundary phase forming during the high-temperature deformation. Below 1000°C, the phase is viscous enough to resist the stresses necessary to activate slip inside the grains. The plastic deformation occurs by planar glide of dislocations of <100> Burgers vectors on {011} planes and dislocations of ½<111> Burgers vectors on {110} planes. As the von-Mises criterion is not satisfied by these slip systems, intergranular cracks are created. Due to these cracks, the critical shear stresses needed for glide of dislocations of ½<331> Burgers vectors are not transmitted to grains in hard orientations. Thus, these dislocations are not activated in polycrystals. The flow stress anomaly known from MoSi2 single crystals appears as a plateau in the stress versus temperature curve of polycrystals. Since the anomaly can be explained by point defect diffusion in the dislocation cores, its weaker form indicates that other processes have a stronger influence on the flow stress than the point defect drag. At increasing temperature, the viscosity of the grain boundary phase decreases which results in a visco-elastic deformation above 1000°C without reaching the critical shear stresses necessary to activate glide inside the grains. Through decohesion of the grain boundary phase the process of deformation becomes irreversible. A model is proposed combining the properties of the rheological Burgers model with the observed strain dependent softening. A resulting correction factor of this model describes the reduction of the effective specimen cross section during the individual grains of the polycrystal are seperating. Activation energies between 260 and 380 kJ mol-1 determined by creep experiments confirm that the high-temperature deformation is controlled by diffusion in the grain boundary phase and not by self diffusion.