Untersuchungen an Basislegierungen hoch manganhaltiger Stähle mittels Festkörper NMR-Spektroskopie

Eisenhut, Sascha; Haarmann, Frank; Blümich, Bernhard

doi:36633

Untersuchungen an Basislegierungen hoch manganhaltiger Stähle mittels Festkörper NMR-Spektroskopie

Eisenhut, Sascha^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Chemiker Sascha Eisenhut

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (iv, 141 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Haarmann, Frank (Thesis advisor) ; Blümich, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09698
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/709091/files/709091.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/709091/files/709091.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrischer Feldgradient (frei) ; Magnetismus (frei) ; Mn3C (frei) ; NMR (frei) ; Spektroskopie (frei) ; Spin-Gitter-Relaxation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften finden heutzutage verschiedenste Stähle Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen. Durch den sogenannten TWIP-Effekt (Twinning Induced Plasticity) verbinden HMn-Stähle (High Manganese) eine hohe Festigkeit mit einer hohen Duktilität.[1] Dies macht sie besonders für die Automobilindustrie interessant.Um ein quantenmechanisch (QM) geführtes Design solcher HMn-Stähle mit vorgegebenen Eigenschaften zu realisieren, gilt es zunächst ein Verständnis für die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Werkstoffe zu entwickeln. Als lokale Sonde ist die kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) in Verbindung mit QM-Rechnungen besonders geeignet, Informationen zu Fehlordnung, der chemischen Bindung und dem Magnetismus einer Substanz zu erhalten.Für den Beginn der Untersuchungen wurde Mn3C als Modellsystem gewählt. Es kristallisiert in der Zementit-Struktur. Mn besetzt dabei die Wyckoff-Positionen 4c und 8d, C die 4c-Position.[2] Mithilfe von QM-Rechnungen konnten die Signale des NMR-Spektrums den drei Positionen eindeutig zugeordnet werden. Ein positives Vorzeichen der Hauptkomponente des Elektrischen Feldgradienten (EFG), VZZ, zeigt eine oblate, ein negatives eine prolate Verteilung der p-Elektronen am Fermi-Niveau (EF) an. Dies weist auf signifikant verschiedene Bindungssituationen der beiden Mn-Positionen hin. Eine mögliche Fehlordnung in Mn3C konnte anhand der Ergebnisse ausgeschlossen werden.Die elektronische Zustandsdichte (DOS) bei EF wird von d-Elektronen dominiert. Dies zeigt den metallischen Charakter von Mn3C und bedingt eine negative Knight-Verschiebung (K) der NMR-Signale.[3]Temperaturabhängige Untersuchungen der Signalverschiebung und Spin-Gitter-Relaxationszeitkonstante (T1) lassen auf einen paramagnetischen Zustand und antiferromagnetische Fluktuationen der Elektronenspins im Temperaturbereich von T = 290 K bis T = 1,8 K schließen.[1] G. Gottstein. Physikalische Grundlagen der Materialkunde, 3. Auflage. Springer, Berlin (2007). [2] K. Kuo, L. E. Persson, J. Iron Steel Inst., 178, 39 (1954). [3] Y. Masuda, K. Asayama, S. Kobayashi. J. Phys. Soc. Japan, 19(4), 460 (1964).

Owing to their diverse properties, today a lot of various steels are used in many different fields. Due to the so-called TWIP effect (Twinning Induced Plasticity) HMn (High Manganese) steels combine high strength with high ductility.[1] This makes them particularly interesting for the automotive industry.In order to realize a quantum mechanical (QM) controlled design of such HMn steels with predefined properties, an understanding of the structure-property relationships of these materials has to be developed first. As a local probe, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR spectroscopy) in conjunction with QM calculations is particularly suitable for obtaining information on disorder, chemical bonding, and the magnetism of a substance.For the start of the investigations, Mn3C was chosen as a model system. It crystallizes in the cementite structure. Mn occupies the Wyckoff positions 4c and 8d, C the 4c-position.[2] Using QM calculations, the signals of the NMR spectrum could clearly be assigned to these three positions. A positive sign of the main component of the electric field gradient (EFG), VZZ, indicates an oblate, a negative sign a prolate distribution of the p-electrons at the Fermi level (EF). This indicates significantly varying bonding situations for the two Mn positions. A possible disorder in Mn3C could be excluded by the results.The electronic density of states (DOS) at EF is dominated by d-electrons. This shows the metallic character of Mn3C and causes a negative Knight shift (K) of the NMR signals.[3]Temperature-dependent investigations of the signal shift and spin-lattice relaxation time constant (T1) suggest a paramagnetic state and antiferromagnetic fluctuations of the electron spins in the temperature range from T = 290 K to T = 1.8 K.[1] G. Gottstein. Physikalische Grundlagen der Materialkunde, 3. Auflage. Springer, Berlin(2007). [2] K. Kuo, L. E. Persson, J. Iron Steel Inst., 178, 39 (1954). [3] Y. Masuda, K.Asayama, S. Kobayashi. J. Phys. Soc. Japan, 19(4), 460 (1964).

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