Ultra-strong metallic glasses by knowledge based alloying guidelines

von Avenarius, Mathias; Raabe, Dierk; Schneider, Jochen M.

doi:35647

Ultra-strong metallic glasses by knowledge based alloying guidelines = Ultra feste metallische Gläser durch wissensbasiertes Legierungsdesign

von Avenarius, Mathias

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl. Phys. Mathias von Avenarius (geb. Köhler)

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (V, 76 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-001080
DOI: 10.18154/RWTH-2017-00108
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/681282/files/681282.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/681282/files/681282.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
metallic glass (frei) ; APT (frei) ; atom probe (frei) ; cantilever (frei) ; shear band (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wie ihr Name bereits impliziert, weisen metallische Gläser (MGs) sowohl metallische Eigenschaften, wie elektrische und thermische Leitfähigkeit, moderate Duktilität und eine glänzende Oberfläche auf, besitzen aber auch amorphen Charakter, wie die Abwesenheit von langreichweitiger periodischer Ordnung. Die Möglichkeit Eigenschaften aus diesen zwei Wissenschaftsbereichen zu kombinieren begründet das große Interesse der aktuellen Forschung an diesen Materialien. Das Ziel dieser Dissertation ist, die mechanischen Eigenschaften, wie Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit mit den zugrundeliegenden chemischen Bindungsstrukturen und der Probengeometrie zu verknüpfen. Basierend auf theoretischen Überlegungen welche von MD Simulationen abgeleitet sind, werden eine Vielzahl von Co-basierten und nicht Co-basierten metallischen Gläsern durch Schmelzschleudern und Magnetron Sputtern synthetisiert. Der amorphe Grundzustand der hergestellten metallischen Gläser wird durch Atomsondentomographie (APT), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rötgenbeugung (XRD) und dynamische Differrenzkalorimetrie (DSC) sichergestellt. Die Strukturanalyse wird mittels APT und hoch energetischer Röntgenbeugung durchgeführt. Das Elastizitätsmodul, die Härte, die Bruchzähigkeit und die Bruchfestigkeit der synthetisierten metallischen Gläser wird mittels Nanoindentation und mikro Biegebalken Tests bestimmt. Eine sehr hohe Steifigkeit von Ered =344 GPa und eine Bruchzähigkeit von σ =11 GPa werden für ein kombinatorisches Co39.2Ta5.8B55.0 metallisches Glas berichtet, was die bisherigen Weltrekordgläser übertrifft [1, 2].Das MD Simulationsmodell von Hostert et al. [3] zur Vorhersage von elastischen Eigenschaften metallischer Gläser wird für die verwendeten Kompositionen und Herstellungsmethoden innerhalb dieser Arbeit getestet und bestätigt. Lewandowski et al. [4] schlugen einen sprunghaften Übergang von duktil zu spröde bei einer Poissonzahl von ν =0.32 vor. Dies wird an den metallischen Gläsern der vorliegenden Arbeit nicht beobachtet. Daher ist die Poissonzahl kein hinreichendes Kriterium für die Vorhersage von Zähigkeit bei metallischen Gläsern. Stattdessen wird ein neues Modell, basierend auf den Bindungstypen und der elektronischen Struktur der Legierungselemente, vorgeschlagen. Die Anzahl der kernnahen, hybridisierten Bindungszuständen im Verhältnis zu den Gesamtbindungszuständen ist ein verlässlicherer Indikator für die Schadenstoleranz von metallischen Gläsern. Der wesentliche Verformungsmechanismus in metallischen Gläsern wird durch Scherbänder und deren Entstehung und Verlauf geprägt und ist bisher nicht vollständig verstanden. Daher werden Scherbänder eines stark verformten amorphen Al88Y7Fe5 Systems mittels korrelativen TEM/APT Experimenten untersucht. Die kompositionellen Veränderungen der Scherbänder werden mittels APT bestimmt, während die relativen Dichteänderungen mittels TEM aufgenommen werden [5]. Es wird geschlussfolgert, dass Materialtransport innerhalb der verschiedenen Teile eines Scherbandes stattfindet, was in Dichteänderungen entlang der Scherband Ausbreitungsrichtung resultiert, während die Matrix nicht betroffen ist.

As their name already implies, metallic glasses (MGs) exhibit metallic properties like electrical and thermal conductivity, moderate ductility and a lustrous surface, while featuring amorphous characteristics, such as the absence of periodic long range order. The possible property combinations of these two materials science fields cause metallic glasses to be of great interest for current research. The objective of this thesis is to link mechanical properties of metallic glasses, such as stiffness, strength and toughness, to the underlying chemical bond structure and overall topology of the investigated specimen. Based on theoretical considerations derived from molecular dynamics (MD) simulations, melt spinning or magnetron sputtering is used to synthesize a variety of Co-based and non-Co-based metallic glasses. The amorphous state of the as prepared metallic glasses is proved by atom probe tomography (APT), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction patterns (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC). The structural analysis is done by APT and high-energy X ray experiments. Young’s modulus, hardness, fracture toughness and fracture strength of the synthesized metallic glasses are investigated by nanoindentation and micro cantilever bending tests. Very high stiffness of Ered =344 GPa and fracture strength σ =11 GPa are reported for a combinatorial Co39.2Ta5.8B55.0 metallic glass composition, exceeding the so far reported world record metallic glasses [1, 2].The MD simulations model developed by Hostert et al. [3] for predicting elastic properties of metallic glasses is tested and validated for the compositions and synthesis methods utilized within this thesis. Lewandowski et al. [4] proposed a sharp transition from ductile to brittle at a Poisson’s ratio of ν =0.32, which is not observed for the metallic glasses investigated in the course of this work. Therefore, the Poisson’s ratio is not a sufficient criterion to predict the toughness of metallic glasses and, instead, a new model, based on the bonding nature and the electronic structure of the alloying elements, is proposed: The proportion of bonds, originated from deep core, hybridized states compared to the overall bonding, is a much more reliable indicator for the damage tolerance of metallic glasses.The responsible deformation mechanism in metallic glasses is governed by shear bands and their formation and evolution is not fully understood, yet. Hence, shear bands of a heavily deformed amorphous Al88Y7Fe5 system are investigated by correlative TEM/APT experiments. The compositional changes of shear bands are determined by APT, while the relative density changes are recorded by TEM [5]. It is concluded that material transport is happening within different parts of a shear band, which results in density variations along its propagation direction, while the matrix is unaffected.

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