Mechanische und kinetische Eigenschaften metallischer Gläser mit nanoskaligen Sekundärphasen

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 191763645

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurde der Einfluss nanoskaliger Sekundärphasen auf das makroskopische plastische Materialverhalten, sowie deren Wechselwirkung mit Scherbändern auf atomarer Skala untersucht, indem molekulardynamische Computersimulationen mit experimentellen Untersuchungen kombiniert wurden. Als Modellsystem diente Cu-Zr, in welches durch Anlassen oder durch Verformung nanokristalline Sekundärphasen mit duktilen Verformungseigenschaften oder nanoskalige amorphe Zweitphasen unterschiedlicher Gestalt und Größe eingebracht wurden. Die Verformungssimulationen von Gläsern verschiedener Zusammensetzung zeigten, dass Scherbandbildung nicht durch die Existenz eines perkolierenden Netzwerks von ikosaedrischen Struktureinheiten bestimmt ist. Die im Scherband gestörte Glastopologie kann nur bei Heizen über die Glasübergangstemperatur Tg wiederhergestellt werden, obwohl die atomare Mobilität in den Scherbändern auch bei tiefen Temperaturen erhöht ist. Störungen der Nahordnung durch Ionenbestrahlung oder Einbau topologischer Fehler (Glas- Glas Grenzflächen) erhöhen die Nukleationsrate für Schertransformationszonen. Experimentell konnte gezeigt werden, dass dem Freien Volumen in Gläsern eine Bildungsenthalpie zugeordnet werden kann. In diesem Zusammenhang haben wir eine systematische Messreihe der Tieftemperatur-Wärmekapazität an deformierten und unterschiedlich relaxierten Proben eines Cu-Zr-basierten metallischen Massivglases durchgeführt. Dieses sind die ersten Untersuchungen zum Boson-Peak an plastisch deformierten Gläsern. Die Ergebnisse zeigten einen deutlich erhöhten Boson-Peak-Beitrag für die deformierten Proben. Wir konnten nachweisen, das diese Erhöhung wird nicht durch eine reine Änderung der globalen Elastizität (durch Dichteänderung) des Systems hervorgerufen wird, sondern die lokal veränderte (Un-) Ordnung innerhalb der Scherbänder im Vergleich zur Matrix. Die Scherbänder im metallischen Glas sind somit (im Mittel) durch eine weniger starke Bindung charakterisiert und reagieren daher elastisch „weicher“. Die Untersuchungen zur Scherband-Präzipitat-Wechselwirkung ergaben, dass Ausscheidungen die Scherbandpropagation nur unter gewissen Bedindungen stoppen. Durch Variation der Größe und des Abstands zwischen den Ausscheidungen konnten wir verschiedene Mechanismen identifizieren. Für kleine Ausscheidungen mit großen Abständen „wickelt“ sich das Scherband um die Ausscheidung und propagiert danach unbeeinflusst weiter. Dieser „Wrapping“- Mechanismus war bisher in der Literatur nicht beschrieben. Werden die Abstände der Präzipitate geringer und die Ausscheidungen größer, so kann das Scherband gestoppt werden. In der Simulation führt das Stoppen sofort zur Nukleation eines neuen Scherbandes an der Kristall–Glas-Grenzfläche. Wird die Ausscheidungsphase durch eine duktiliere Phase ersetzt, dann nimmt die Ausscheidung an der plastischen Verformung teil. Auf Basis der experimentellen Beobachtungen und der systematischen Untersuchung von Größeneffekten und Volumenanteilen in der Computersimulation konnten wir eine Deformationskarte vorschlagen, welche die verschiedenen Mechanismen kategorisiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Thermal annealing of shear bands in deformed metallic glasses: Recovery mechanisms in Cu64 Zr36 studied by molecular dynamics simulations, Acta Mater. 59 (2011) 7082–7094
  Y. Ritter, K. Albe
  
• Chemical and topological order in shear bands of Cu64 Zr36 and Cu36 Zr64 glasses, J. Appl. Phys. 111 (2012) 103527
  Y. Ritter, K. Albe
  
• , Enhancing the plasticity of metallic glasses: Shear band formation, nanocomposites and nanoglasses investigated by molecular dynamics simulations, Mech. Mater. 67 (2013) 94–103
  
  
• Direct measurement of the kinetics of volume and enthalpy relaxation of an Au-based bulk metallic glass, J. Appl. Phys. 114 (2013) 223503
  J. Bünz, G. Wilde
  
• Chaper II: Early stages of crystal formation in glass-forming metallic alloys, in: J. W. P. Schmelzer (Ed.), Glass – Selected Properties and Crystallization, De Gruyter, Berlin, 2014, pp. 95–135
  G. Wilde
  
• Low temperature heat capacity of a severely deformed metallic glass, Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 135501
  J. Bünz, T. Brink, K. Tsuchiya, F. Meng, G. Wilde, K. Albe
  
• Wavelike fracture pattern in a metallic glass: A Kelvin–Helmholtz flow instability , Philos. Mag. Lett. 94 (2014) 669–677
  M. Q. Jiang, G. Wilde, C. B. Qu, F. Jiang, H. M. Xiao, J. H. Chen, S. Y. Fu, L. H. Dai
  
• On the applicability of a mesoscopic interface sliding controlled model for understanding superplastic flow in bulk metallic glasses, Intermetallics 60 (2015) 50–57
  J. Bünz, K. A. Padmanabhan, G. Wilde
  
• Solid-state amorphization of Cu nanolayers embedded in a Cu64 Zr36 glass, Phys. Rev. B 91 (2015) 184103
  T. Brink, D. Sopu, K. Albe
  
• Influence of crystalline nanoprecipitates on shear-band propagation in Cu − Zr -based metallic glasses, Phys. Rev. Applied 5 (2016) 054005
  T. Brink, M. Peterlechner, H. Rösner, K. Albe, G. Wilde