Dokument: The effect of deformation on mechanical properties of bulk metallic glasses

Titel:	The effect of deformation on mechanical properties of bulk metallic glasses
Weiterer Titel:	Der Effekt von Verformungen auf die mechanischen Eigenschaften massiver metallischer Gläser
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53514
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200624-113309-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Golkia, Mehrdad [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 23,98 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.06.2020 / geändert 22.06.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Horbach, Jürgen [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Egelhaaf, Stefan U. [Gutachter]
Stichwörter:	Metallic Glasses, Ductility, Mechanical Properties, Elastic Responses, Boson Peak
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Bulk metallic glasses (BMGs), compared to their crystalline counterparts, show remarkable mechanical properties like high strength, high wear, and corrosion resistance, very high resilience, etc., within the elastic limit for very small deformations. Despite all these promising mechanical properties, the response of BMGs to an external load beyond the elastic limit for large deformations often results in a catastrophic failure due to brittleness and limited ductility. Therefore, the mechanical properties of BMGs, especially when subjected to an external load, has been a topic of many research groups during the last decades. We investigate the effects of deformation on mechanical properties of a Ni80P20 model metallic glass former, using non-equilibrium molecular dynamics computer simulations. Using a Lennard-Jones model, samples are equilibrated in the super-cooled liquid (SCL) state from which the glass state is obtained via a fast quench. The response of the prepared samples in the SCL and glass state is studied by subjecting them to shear via a simple planar Couette flow geometry. These responses are reflected in the stress-strain curve in which, for the SCLs, a cross over from a Newtonian to non-Newtonian response, marked by the occurrence of an overshoot, is observed. Within the elasticity limit, a linear response is observed in the elastic regime of the stress-strain curve of the SCLs and glasses. The effect of deformation on elastic properties of the samples in the glass state is studied by applying a stress-fluctuation formalism and calculating the elastic constant tensor. The elastic constants of the undeformed states are then compared to those of the deformed states, after switch-off the shear load. The latter samples are in a new glass state with residual stresses. Also, as the elastic properties are reflected in the low-frequency spectrum of the vibrational modes, the density of states is calculated for both undeformed and deformed states. The vibrational properties of the samples, before and after deformation, are also studied in terms of current correlation functions and the Boson peak. After the overshoot, while short-lived in-homogeneous flow patterns are observed in SCLs, in glasses, these inhomogeneities appear to be more persistent and often result in the formation of shear bands. We characterize the formation and evolution of these in-homogeneous flow pasterns both in SCLs and glasses, as they play a crucial role in a better understanding of yielding and plastic deformation. Further, we adjust the ductility of our model by introducing a minor micro-alloying in the system such that while, the elastic properties of the system remain similar to the original model the plasticity is enhanced. Massive metallische Gläser zeigen im Vergleich zu ihren kristallinen Pendants bemerkenswerte mechanische Eigenschaften, wie zum Beispiel eine hohe Festigkeit, eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und eine sehr hohe Elastizität innerhalb des Elastizitätsbereiches bei sehr kleinen Verformungen. Trotz all dieser vielversprechenden mechanischen Eigenschaften führt die Antwort metallischer Gläser auf eine äußere Belastung jenseits der Elastizitätsgrenze, d.h. bei großen Verformungen, häufig zu einem katastrophalen Materialversagen aufgrund von Sprödigkeit und begrenzter Duktilität. Daher hat sich in den letzten zwanzig Jahren die Forschung intensiv den mechanischen Eigenschaften metallischer Gläser gewidmet. Wir untersuchen die Auswirkungen der Verformung auf die mechanischen Eigenschaften des metallischen Glasbildners Ni80P20 mithilfe von Nicht-gleich-gewichts-mole-kular-dynamik-computer-simulationen. Unter Verwendung eines Lennard-Jones-Modells werden unterkühlte Flüssigkeiten (engl.: super-cooled liquids, SCL) äquilibriert und aus diesen Glassamples über ein schnelles Abkühlen generiert. Die so erhaltenen Gläser werden dann in einer ebenen Couetteströmungsgeometrie geschert. Für die unterkühlten Flüssigkeiten zeigen die Spannungs-Dehnungskurven mit zunehmender Scherrate einen Übergang von einer newtonschen zu einer nichtnewtonschen Flüssigkeit, wobei in letzterem Fall ein Überschwinger bei einer Dehnung von etwa 10% in der Spannungs-Dehnungskurve auftritt. Unterhalb der Elastizitätsgrenze wird eine lineare Antwort in der Spannungs-Dehnungs-Kurve der unterkühlten Flüssigkeiten und Gläser beobachtet. Der Einfluss der Verformung auf die elastischen Eigenschaften der Proben im Glaszustand wird untersucht, indem ein Formalismus zur Beschreibung der Spannungsfluktuationen angewendet und der Elastizitätstensor berechnet wird. Die elastischen Konstanten der unverformten Zustände werden dann mit denen der verformten Zustände nach dem Abschalten der Scherbelastung verglichen. Letztere Proben befinden sich in einem neuen Glaszustand, der Restspannungen aufweist. Da sich die elastischen Eigenschaften im Niederfrequenzspektrum der Schwingungsmoden widerspiegeln, wird die Zustandsdichte sowohl für unverformte als auch für verformte Zustände berechnet. Die Schwingungseigenschaften der Proben vor und nach der Verformung werden mit Stromkorrelationsfunktionen analysiert, insbesondere im Hinblick auf die Untersuchung des Bosonenpeaks. Während in unterkühlten Flüssigkeiten kurzlebige inhomogene Strömungsmuster beobachtet werden, sind in Gläsern solche Inhomogenitäten beständiger und es zeigt sich häufig (insbesondere bei genügend kleinen Scherraten) die Bildung von Scherbändern. Wir charakterisieren die Bildung und Entwicklung dieser inhomogenen Fließmuster sowohl in unterkühlten Flüssigkeiten als auch in Gläsern, da sie eine entscheidende Rolle für ein besseres Verständnis der Fließgrenze und der plastischen Verformung spielen. Darüberhinaus passen wir die Duktilität unseres Modells an, indem wir eine kleine Menge einer dritten Komponente einführen ("micro-alloying''), was zu einer besseren Duktilität des Systems führt, während seine elastischen Eigenschaften nahezu unverändert bleiben.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	24.06.2020
Dateien geändert am:	24.06.2020
Promotionsantrag am:	30.04.2020
Datum der Promotion:	09.06.2020