Quantum mechanically guided design of mechanical properties and topology of metallic glasses

Evertz, Simon; Dehm, Gerhard; Schneider, Jochen M.

doi:39940

Quantum mechanically guided design of mechanical properties and topology of metallic glasses

Evertz, Simon^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Herrn Simon Evertz, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12118
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808513/files/808513.pdf

Einrichtungen

Projekte

SPP 1594 - Topological Engineering of Ultrastrong Glasses (198574154) (198574154)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DFT (frei) ; ab initio (frei) ; mechanical properties (frei) ; metallic glasses (frei) ; topology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Metallische Gläser besitzen vielversprechende mechanische Eigenschaftskombinationen für Strukturanwendungen, wie die Kombination von hoher Bruchzähigkeit und Festigkeit. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist dabei ein wichtiger Design-Parameter für Strukturanwendungen sowie die Verarbeitung metallischer Gläser. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Vorhersage des thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch auf der Dichte-Funktionaltheorie beruhender ab initio Berechnung effizient in Bezug auf Zeit und Ressourcen ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient wird für ein Pd-basiertes metallisches Glas mit einer ab initio Methodik unter Anwendung des Debye-Grüneisenmodells vorhergesagt. Dieses Pd-basierte metallische Glas besitzt eine ausgeprägte mittelreichweitige Ordnung. Der vorhergesagte thermische Ausdehnungskoeffizient von 3.4∙10-5 K-1 bei Raumtemperatur wird durch in situ Röntgenbeugungsversuche mit Synchrotronstrahlung kritisch hinterfragt. Dabei wird eine exzellente Übereinstimmung der theoretischen und experimentellen Werte beobachtet. Diese kombinierte theoretische und experimentelle Forschungsstrategie zeigt die Möglichkeit der Vorhersage des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgehend von einem Topologiemodell im Grundzustand, sofern topologische Änderungen während des Aufheizens ausbleiben. Mit dieser Methodik kann die große Zahl an möglichen Legierungskombinationen metallischer Gläser effizient in Bezug auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten getestet werden. Für Strukturanwendungen metallischer Gläser ist die Bruchzähigkeit von besonderer Bedeutung, um katastrophales Versagen durch Sprödbruch zu verhindern. Die Anzahl der hybridisierten Bindungen in einem metallischen Glas ist ein Fingerabdruck für die Bruchzähigkeit, der durch das Legieren von Pd57.4Al23.5Y7.8M11.3 mitM = Fe, Ni, Co, Cu, Os, Ir, Pt, and Au beeinflusst wird. Es wird gezeigt, dass experimentelle Bruchzähigkeiten mit dem Anteil der hybridisierten Bindungen korrelieren. Der Anteilhybridisierter Bindungen skaliert dabei mit den lokalisierten Bindungen am Fermi-Niveau. Diese lokalisierten Bindungen am Fermi-Niveau werden daher als quantitatives Maß für die Bruchzähigkeit genutzt. Basierend auf ab initio Berechnungen wird für Pd57.4Al23.5Y7.8Ni11.3 ein minimaler Anteil hybridisierter Bindungen festgestellt. Gemäß dem Ansatz, dass die Bruchzähigkeit mit der Kristallorbital-Überlappungspopulation am Fermi-Niveau skaliert, wird eine Bruchzähigkeit in Höhe von 95 ± 20 MPa∙m0.5 für Pd57.4Al23.5Y7.8Ni11.3 vorhergesagt. Mikromechanische Bruchversuche am Biegebalken sind konsistent mit dieser Vorhersage, da in den Biegebalken ausgeprägte plastische Verformung und kein Risswachstum sichtbar wird. Da die Eigenschaften metallischer Gläser von der Elektronenstruktur abhängen, die wiederum von der chemischen Zusammensetzung definiert wird, wird hier der Einfluss von Halbmetallen wie Bor auf den Glasübergang, Topologie, Magnetismus und Bindungen systematisch für Borkonzentrationen x = 2 bis 92 at.% im (Co6.8±3.9Ta)100-xBx-System untersucht. Vom Standpunkt der Elektronenstruktur und Koordination lässt sich der Borkonzentrationsbereich in drei Regionen aufteilen: Unterhalb von 39 ± 5 at.% Bor ist das Material ein metallisches Glas auf Grund der dominierenden metallischen Bindungen. Oberhalb von 69 ± 6 at.% wird ein ikosaeder-ähnliches Bornetzwerk beobachtet. Wenn die Borkonzentration über 39 ± 5 at.%Bor erhöht wird, entwickelt sich ein Bor-Netzwerk, während die metallische Koordination im Material bis zu einer Borkonzentration von 67 ± 5 at.% abnimmt. Daher wird in diesem mittleren Borkonzentrationsbereich in Komposit gebildet. Es ist erwiesen, dass durch die Borkonzentration das Verhältnis von metallischen zu ikosaedrischen Bindungen kontrolliert werden kann. Es wird daher vermutet, dass durch Einstellung der Koordination in der Kompositregion Gläser mit definierter Plastizität und Verarbeitbarkeit designt werden können. Es ist in der Literatur bekannt, dass die plastische Verformung metallischer Gläser vom Gehalt des freien Volumens beeinflusst wird. Allerdings wurde der Effekt des freien Volumens auf die chemischen Bindungen bis jetzt nicht systematisch untersucht. Mit Hilfe einer Analyse der Elektronenstruktur wird gezeigt, dass die globale Bindungsstärke nicht signifikant beeinflusst wird. Allerdings sinkt die durchschnittliche Koordinationszahl mit steigendem Gehalt des freien Volumens. Der lokale Bindungscharakter ändert sich dabei von bindend zu anti-bindend mitabnehmender Koordinationszahl. Während plastischer Verformung sinkt die Anzahl der starken, bindenden Bindungen stärker für Gläser mit freiem Volumen als für Gläser ohne freies Volumen. Dadurch werden die Bindungen weiter geschwächt. Es wird gezeigt, dass das Einbringen von freiem Volumen zur Bildung von Volumenanteilen mit niedrigerer Koordinationszahl führt. Dies resultiert in schwächeren Bindungen und wird als elektronenstruktur-basierter Grund für die verbesserte plastische Verformbarkeit von Gläsern, die freies Volumen enthalten, vorgeschlagen.

Metallic glasses are promising structural materials due to their unique property combinations such as high fracture toughness and high strength. For structural applications and processing, the coefficient of thermal expansion is an important design parameter. Here, it is demonstrated that predictions of the coefficient of thermal expansion for metallic glasses by density functional theory based ab initio calculations are efficient both with respect to time and resources. The coefficient of thermal expansion is predicted by an ab initio based method utilising the Debye-Grüneisen model for a Pd-based metallic glass, which exhibits a pronounced medium range order. The predicted coefficient of thermal expansion of 3.4∙10−5 K−1 at room temperature iscritically appraised by in situ synchrotron X-ray diffraction and excellent agreement is observed. Through this combined theoretical and experimental research strategy, the feasibility to predict the coefficient of thermal expansion from the ground state structure of a metallic glass until the onset of structural changes is shown. This strategy provides a method to efficiently probe a potentially vast number of metallic glass alloying combinations regardingthermal expansion. For the application of metallic glasses as structural materials, high fracture toughness is crucialto avoid catastrophic failure of the material in a brittle manner. One fingerprint for fracture toughness in metallic glasses is the fraction of hybridized bonds, which is affected by alloyingPd57.4Al23.5Y7.8M11.3 with M = Fe, Ni, Co, Cu, Os, Ir, Pt, and Au. It is shown that experimental fracture toughness data is correlated to the fraction of hybridized bonds which scale with the localized bonds at the Fermi level. Thus, the localized bonds at the Fermi level are utilized quantitatively as a measure for fracture toughness. Based on ab initio calculations, the minimum fraction of hybridized bonds was identified for Pd57.4Al23.5Y7.8Ni11.3. According to the ansatz that the crystal orbital overlap population at the Fermi level scales with fracture toughness, for Pd57.4Al23.5Y7.8Ni11.3 a value of around 95 ± 20 MPa·m0.5 is predicted quantitatively for the first time. Consistent with this prediction, in micro-mechanical beam bending experiments Pd57.4Al23.5Y7.8Ni11.3 thin films show pronounced plasticity and absence of crack growth. As the properties of metallic glasses depend on the electronic structure, which in turn is definedby chemical composition, the influence of metalloids such as B on glass transition, topology, magnetism, and bonding is investigated systematically for B concentrations x = 2 to 92 at.% inthe (Co6.8±3.9Ta)100-xBx system. From an electronic structure and coordination point of view, theB concentration range is divided into three regions: Below 39 ± 5 at.% B, the material is a metallic glass due to the dominance of metallic bonds. Above 69 ± 6 at.%, the presence of an icosahedra-like B network is observed. As the B concentration is increased above 39 ± 5 at.%,the B network evolves while the metallic coordination of the material decreases until the Bconcentration of 69 ± 9 at.% is reached. Hence, a composite is formed. It is evident that, based on the B concentration, the ratio of metallic bonding to icosahedral bonding in the compositecan be controlled. It is proposed that, by tuning the coordination in the composite region, glassy materials with defined plasticity and processability can be designed. While it is accepted that the plastic behaviour of metallic glasses is affected by their free volume content, the effect thereof on chemical bonding has not been investigated systematically. According to electronic structure analysis, the overall bond strength is not significantly affected by the free volume content. However, with increasing free volume content, the average coordination number decreases. Furthermore, the volume fraction of regions containing atoms with lower coordination number increases. As the local bonding character changes from bonding to anti-bonding with decreasing coordination number, bonding is weakened in the volume fraction of lower coordination number. During deformation, the number of strong, short-distance bonds decreases more for free volume containing samples than for samples without free volume, resulting in additional bond weakening. Thus, it is shown that the introduction of free volume causes the formation of volume fractions oflower coordination number resulting in weaker bonding and proposed that this is the electronic structure origin of the enhanced plastic behaviour reported for glasses containing free volume.

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