Stiff and damage-tolerant metallic glasses

Schnabel, Volker; Raabe, Dierk; Schneider, Jochen M.

doi:1861-0595

Stiff and damage-tolerant metallic glasses = Steife und schadenstolerante metallische Gläser

Schnabel, Volker

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeVolker Schnabel

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2015

Umfangxi, 76 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-4180-4

ReiheMaterials Chemistry Dissertation ; 25 (2015)

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen M. (Thesis advisor) ; Raabe, Dierk (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-077247
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/565245/files/565245.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/565245/files/565245.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; metallic gases (frei) ; taughness (frei) ; x-ray diffraction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine zentrale Herausforderung in der Materialwissenschaft ist das Design von Gläsern, die nicht nur eine hohe Festigkeit sondern auch eine ausreichende Zähigkeit gegen Sprödbruch aufweisen. Diese Eigenschaftskombination aus Festigkeit und Zähigkeit, die auch als Schadenstoleranz bezeichnet wird, ist in sich Widersprüchlich. Während zähe Materialien bei Verformung Energie aufnehmen können, zum Beispiel durch Plastizität, sind hoch feste Materialien entwickelt, irreversible Energieaufnahme und somit plastische Verformung zu vermeiden. Deshalb sind Materialien, die sowohl eine hohe Zähigkeit (Bindungen werden gebrochen) als auch eine hohe Festigkeit aufweisen (Bindungen sollten nicht gebrochen werden), aus der Perspektive des chemischen Bindungstyps widersprüchlich, was große Herausforderung für die Entwicklung solcher Materialien darstellt. Obwohl Berichte von schadenstoleranten, metallischen Gläsern publiziert sind, wurden diese vorwiegend auf Basis von empirischen Legierungsrichtlinien entwickelt ohne die zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Mechanismen auf atomarer Ebene erfasst zu haben. Deshalb konzentriert sich diese Arbeit darauf den Ursprung schadenstoleranter Gläser zu identifizieren. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Fließgrenze von metallischen Gläsern eine starke Abnahme als Funktion der Temperatur aufweist, was mit einem Anstieg an Plastizität und somit Zähigkeit einhergeht. Um den Ursprung dieser Temperaturabhängigkeit zu verstehen werden in situ, Hochtemperaturbeugungsexperimente mit Hilfe von hochenergetischen Photonen und ab initio molekulardynamische Simulationen durchgeführt um die Temperatur induzierte Nahordnungsänderung von Dünnschicht Co67B33 metallischen Gläsern zu untersuchen. Basierend auf dieser korrelativen, experimentellen und theoretischen Studie wird die Präsenz von steifen B-Co-B Strukturbausteinen zweiter Ordnung bei Raumtemperatur und die Temperatur induzierte Abnahme der Population von diesen Strukturbausteinen nachgewiesen. Diese Aussage ist konsistent mit experimentellen Arbeiten5, die eine Temperatur induzierte Abnahme der Fließgrenze beschreiben. Wie in der Literatur berichtet, kann zusätzlich zu der Temperatur auch eine Änderung der chemischen Zusammensetzung zu einem Übergang von sprödem zu plastischen Verhalten führen. Deshalb wird in dieser Arbeit auch der Einfluss von Legierungselementen auf die Steifigkeit und Plastizität von Co-Fe-Ta-B metallischen Gläsern systematisch mit Hilfe von ab initio molekulardynamischen Simulationen untersucht. Das hier simulierte Co43.5Ta6.1B50.4 metallische Glas, weist mit einem E-Modul von 295 GPa die höchste in der Literatur beschriebene Steifigkeit eines metallischen Glases auf. Die Elektronendichteverteilung dieses Glases deutet darauf hin, dass die hohe Steifigkeit auf starke, kovalent gebundene Metall – Bor Bindungen zurück zu führen ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch Legieren mit Y, Zr, Nb, Mo, Hf, W, C, N und O eine Poissonzahl zwischen 0.293 und 0.342 eingestellt werden kann. Wie von Lewandowski et al. berichtet wurde, kann ein spröd-plastischer Übergang zwischen 0.31-0.32 identifiziert werden. Die hier beobachtete Anstieg der Poissonzahl kann auf eine Änderung von überwiegend kovalenten zu überwiegend metallischem Bindungscharakter zurückgeführt werden. Folglich sind die mechanischen Eigenschaften stark durch das Zusammenspiel von Chemie und Struktur bestimmt. In der Literatur wird keine effiziente Methode zur Untersuchung des Zusammenhangs von Chemie und Struktur bei metallischen Glasdünnschichten beschrieben. Aus diesem Grund wird hier eine neue Methode eingeführt, die die ortsaufgelöste Nahordnungsanalyse entlang eines Konzentrationsgradienten von kombinatorischen, metallischen Glasdünnschichten ermöglicht. Diese neue Methode bei der eine metallische Glasdünnschicht auf eine dünne Polyamidfolie aufgetragen und mit hochenergetischer Röntgenbeugung im Durchstrahlverfahren untersucht wird, ermöglicht die hier durchgeführte Untersuchung einer kombinatorischen Co-Zr-Ta-B Glasdünnschicht. Mittels einer korrelativen chemischen-strukturellen-Steifigkeitsanalyse entlang des Ta-B Konzentrationsgradienten ist festzustellen, dass mit steigender Halbmetallkonzentration von 26.4 bis 32.7 at.%, und damit zusammenhängender Bildung von lokalisierten, hybridisierten Metall-Halbmetall Bindungen, ein Steifigkeitsanstieg von 10 % erreicht wird. Entlang desselben Konzentrationsgradienten wird ein Halbmetallkonzentration induzierter Anstieg der Metall-Metall Bindungsdistanz von 1 % beobachtet, woraus auf eine Abnahme der Metallbindungsstärke geschlossen werden kann. Somit dominiert der Halbmetallkonzentration induzierte Anstieg von hybridisierten Bindungen die einhergehende Abnahme der Metallbindungsstärke von Co-basierten metallischen Gläsern. Um die Relevanz der Hybridisierung für die Plastizität von metallischen Gläsern generell einschätzen zu können wird der Ansatz von Lewandowski et al. and Greaves et al. basierend auf dem Konzept der Poissonzahl kritisch begutachtet. Die Ergebnisse dieser Arbeit als auch Berichte aus der Literatur stehen im Widerspruch mit dem Konzept, dass die Poissonzahl als universeller Parameter für die Bruchenergie dienen kann. In dieser Arbeit wird der chemische Ursprung für schadenstolerante Gläser auf der Elektronenstrukturebene identifiziert. Aus den korrelativen, theoretischen und experimentellen Daten zeigt sich, dass der Anteil an Kern nahen, hybridisierten Bindungszuständen im Verhältnis zur Gesamtheit der Bindungszustände, die Schadenstoleranz von Gläsern definiert. Folglich ist die Poissonzahl nicht ausreichend um den spröd-duktil Übergang von Gläsern zu beschreiben. Vielmehr definiert der Beitrag von hybridisierten Bindungszuständen im Verhältnis zu der Gesamtheit von Bindungszuständen den spröd-plastischen Übergang.

A paramount challenge in materials science is to design glasses that exhibit not only high strength but also toughness, i.e., the ability to resist brittle failure. This property combination constituting damage tolerance appears to be self-excluding; tough materials need to dissipate energy, for example, by plasticity, whereas high-strength materials are designed to prevent irreversible energy dissipation, thus plastic deformation. Hence, materials exhibiting concomitant high toughness (where bond breakage occurs) and high strength (where bond breakage should not occur) are chimeric from the perspective of chemical bonding, imposing severe challenges on the design of these materials. Even though there are damage-tolerant glasses reported in literature, which are predominantly developed applying empirical alloying guidelines, the underlying physical and chemical mechanisms are not understood on the atomic scale. Hence, this work focuses on identifying the origin of damage-tolerant glasses. It has been reported in literature that the elastic limit of metallic glasses exhibits a strong decrease with increasing temperature, which goes in hand with an increase in plastic deformation and hence an increase in toughness. To identify the origin of the temperature dependence of the plastic behaviour, in situ high-temperature X-ray diffraction experiments using high-energy photons and ab initio molecular dynamics simulations are performed to probe the temperature induced changes in topological short-range order in magnetron sputtered Co67B33 metallic glass thin films. Based on this correlative experimental and theoretical study the presence of B-Co-B rigid second order structures at room temperature and the temperature induced decrease in population of these strongly bonded building blocks is inferred. This notion is consistent with experimental reports5 delineating the temperature dependence of elastic limit. In addition to temperature, chemical composition is reported6 to induce a change in brittle-ductile behaviour. Hence, within this work, ab initio molecular dynamics simulations are used to systematically explore the influence of alloying on the stiffness and plasticity of Co-Fe-Ta-B metallic glasses. The Co43.5Ta6.1B50.4 metallic glass studied in this work, with a Young’s modulus of 295 GPa, is the stiffest metallic glass known in literature. From the analysis of the density of the states it is suggested that the very large stiffness is due to strong covalent metal to B bonding. Furthermore it has been observed that by alloying with Y, Zr, Nb, Mo, Hf, W, C, N and O the Poisson’s ratio can be varied from 0.293 to 0.342. As noted by Lewandowski et al. a brittle-to-plastic transition for metallic glasses can be identified in the range of 0.31-0.32. The here observed increase in Poisson’s ratio can be attributed to a change from predominately covalent to predominately metallic bond character. Thus, it can be perceived that the mechanical properties of metallic glasses are strongly affected by the interplay between chemistry and topology. However, up to now there is no high throughput method present in literature to study the chemically induced topological evolution of metallic glass thin films. Hence, a novel method is introduced which enables spatially resolved short range order analysis along concentration gradients of combinatorial metallic glass thin films. For this purpose a Co-Zr-Ta-B metallic glass thin film with a thickness of 3 μm is deposited on a thin polyimide foil, which is investigated by high energy X-ray diffraction in transmission mode. Through a correlative chemistry-topology-stiffness investigation along the Ta-B concentration gradient it is observed that an increase in metalloid concentration from 26.4 to 32.7 at.% and the associated formation of localized (hybridised) metal – metalloid bonds induce a 10 % increase in stiffness. Concomitantly, along the same composition gradient, a metalloid-concentration-induced increase in first order metal - metal bond distances of 1 % is observed, which infers itinerant (metallic) bond weakening. Hence, the metalloid concentration induced increase in hybridised bonding dominates the corresponding weakening of metallic bonds. To evaluate the relevance of hybridisation for metallic glasses in general, the Poisson’s ratio based design proposal of Lewandowski et al. and Greaves et al. is critically appraised. It is observed that data from this work, as well as results in the literature, are in conflict with the concept of Poisson’s ratio serving as a universal parameter for fracture energy. Here, the chemical origin of damage-tolerant glasses is identified at the electronic structure level. The correlative theoretical and experimental data reveal that the fraction of bonds stemming from deep core, hybridised states compared to the overall bonding defines damage tolerance in glasses. Consequently, Poisson’s ratio alone is not sufficient to determine the brittle-ductile transition in glasses, and the contribution of hybridised states to the overall bonding defines the change from ductile to brittle behaviour.

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