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

Evertz, Simon; Schneider, Jochen M. (Thesis advisor); Dehm, Gerhard (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

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

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.

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