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Molecular Dynamics Simulations of Structure-Property Relationships in Cu-Zr Metallic Glasses

Ritter, Yvonne :
Molecular Dynamics Simulations of Structure-Property Relationships in Cu-Zr Metallic Glasses.
TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Molecular Dynamics Simulations of Structure-Property Relationships in Cu-Zr Metallic Glasses
Language: English
Abstract:

The scope of this thesis is to elucidate structure-property relationships in copper-zirconium amorphous alloys using molecular dynamics simulations. We investigate the plastic deformation of Cu-Zr glasses in the absence of free surfaces or other heterogeneities and show that strain localization is an intrinsic metallic glass property. Tensile tests of metallic glass nanowires reveal that even in samples with a diameter of only 5nm shear banding is the dominant deformation mode and that there is no intrinsic size effect in the plastic deformation of metallic glasses. The structure and properties of shear bands are investigated in a comprehensive study considering chemical short range order, topological short range order and medium range order. Our results suggest that the picture of a structural backbone, which is locally destabilized and causes strain localization, is not a universal concept for describing shear banding in metallic glasses. When subjected to thermal annealing, shear bands recover and, depending on the annealing temperature, collective motion or nearest neighbor jumps in addition to collective motion are the relevant relaxation mechanisms. Linking free volume theory and experimental observations, our results provide an explanation why shear bands do not recover instantaneously at elevated temperatures but rather on time scales in the range of hours. We finally investigate the deformation of nanostructured metallic glasses, namely nanoglasses obtained by powder consolidation. Nanoglasses comprise a network of glass-glass interfaces with a defective short range order, which act as shear band precursors. This leads to a more homogeneous distribution of plastic strain in a pattern of multiple shear bands, wherefore we predict an enhanced ductility for metallic nanoglasses as compared to conventional metallic glasses.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Struktur-Eigenschaft-Beziehungen in amorphen Kuper-Zirkon Legierungen mithilfe molekulardynamischer Computersimulation untersucht. Die plastische Verformung von Cu-Zr Glaesern wurde in Abwesenheit freier Oberflaechen oder anderer Heterogenitaeten untersucht, wodurch nachgewiesen werden konnte, dass Dehnungslokalisierung eine intrinsische Eigenschaft metallischer Glaeser ist. Zugversuche an amorphen metallischen Nanodraehten ergaben, dass Scherbandbildung sogar fuer Proben mit nur 5nm Durchmesser der dominante Deformationsmechanismus ist und dass es keinen intrinsischen Groesseneffekt fuer die plastische Verformung metallischer Glaeser gibt. Die Struktur und Eigenschaften von Scherbaendern wurden in einer umfassenden Studie untersucht, unter Beruecksichtigung der chemische Nahordnung, der topologische Nahordnung und der mittelreichweitigen Ordnung. Unsere Ergebnisse ziegen, dass die Modellvorstellung eines steifen strukturellen Rueckgrats, das lokal entfestigt wird und damit zur Dehnungslokalisierung fuehrt, kein universelles Konzept ist um die Scherbandbildung in metallischen Glaesern zu erklaeren. Scherbaender koennen durch Anlassen bei hoeheren Temperature ausheilen; in Abhaengigkeit von der Anlasstemperatur sind kollektive Spruenge oder individuelle atomare Spruenge zusaetzlich zu kollektiven Spruengen die relevanten Relaxationsmechanismen. Durch die Verbindung der "Free Volume Theory" mit experimentellen Beobachtungen, koennen unsere Ergebnisse erklaeren warum Scherbaender auch bei hohen Temperaturen nicht instantan ausheilen sondern eher auf Zeitskalen im Bereich von Stunden. Abschliessend betrachten wir die Verformug nanostrukturierter metallischer Glaeser, sogenannter Nanoglaeser, welche durch die Kompaktierung von Nanopulvern hergestellt werden. Nanoglaeser enthalten ein Netzwerk von Glas-Glas Grenzflaechen, die durch eine geschaedigte Nahordung gekennzeichnet sind und als Precursoren fuer die Scherbandbildung fungieren. Dies fuehrt zu einer homogeneren Verteilung der plastischen Dehnung in einem Netzwerk von Scherbaendern, weshalb wir eine verbesserte Duktilitaet fuer metallische Nanoglaeser voraussagen, verglichen mit konventionellen metallischen Glaesern.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Materialmodellierung
Date Deposited: 24 Jan 2012 09:30
Last Modified: 10 Dec 2012 09:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28685
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Albe, Prof. Dr. Karsten and Gerhard, Prof. Dr. Wilde
Refereed: 16 December 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2868
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