Heterogeneities in Metallic Glasses: Atomistic Computer Simulations on the Structure and Mechanical Properties of Copper–Zirconium Alloys and Composites

The present thesis deals with molecular dynamics computer simulations of heterogeneities in copper–zirconium metallic glasses, ranging from intrinsic structural fluctuations to crystalline secondary phases. These heterogeneities define, on a microscopic scale, the properties of the glass, and an understanding of their nature and behaviour is required for deriving the proper structure–property relations. In terms of composite systems, we start with the amorphisation of copper nanolayers embedded in a metallic glass matrix. While copper is an fcc metal with a high propensity for crystallisation, amorphisation can in fact occur in such systems for thermodynamic reasons. This is due to interface effects, which are also known from heterogeneous interfaces in crystals or from grain boundary complexions, although in absence of lattice mismatch. In single-phase glasses, intrinsic heterogeneities are often discussed in terms of soft spots or geometrically unfavourable motifs (GUMs), which can be considered to be mechanically weaker, defective regions of the glass. We investigate the relation between these motifs and the boson peak, an anomaly in the vibrational spectrum of all glasses. We demonstrate a relation between the boson peak and soft spots by analysing various amorphous and partially amorphous samples as well as high-entropy alloys. Finally, we treat the plastic deformation of glasses, with and without crystalline secondary phases. We propose an explanation for the experimentally observed variations of propagation direction, composition, and density along a shear band. These variations of propagation direction are small in the case of single-phase glasses. A considerably greater influence on shear band propagation can be exerted by precipitates. We systematically investigate composites ranging from low crystalline volume fraction up to systems which resemble a nanocrystalline metal. In this context, we derive a mechanism map for composite systems and observe the breakdown of these mechanisms with increasing crystalline volume fraction during the transition towards the nanocrystalline state.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit molekulardynamischen Computersimulationen von Heterogenitäten in Kupfer-Zirkonium-Gläsern, die von intrinsischen Fluktuationen bis hin zu kristallinen Sekundärphasen reichen. Auf einer mikroskopischen Skala definieren diese Heterogenitäten die Eigenschaften des Glases. Es ist daher notwendig ihre Natur und ihr Verhalten zu verstehen, um die korrekten Struktur-Eigenschaft-Beziehungen zu bestimmen. Für Komposite wird als Erstes die Amorphisierung von Kupfernanoschichten in einer metallischen Glasmatrix behandelt. Kupfer ist ein kubisch flächenzentriertes Metall, welches eine starke Neigung zur Kristallisation aufweist. Trotzdem können diese Nanoschichten aus thermodynamischen Gründen amorphisieren. Dies geschieht durch Grenzflächeneffekte, wie sie auch von heterogenen Kristallgrenzflächen oder von Korngrenzzwischenphasen bekannt sind. Die Gitterfehlanpassung dieser Systeme ist im vorliegenden Fall bezeichnenderweise nicht vorhanden. In einphasigen Gläsern werden intrinsische Heterogenitäten oft im Kontext von „Soft-Spots“ oder geometrisch ungünstigen Motiven (GUMs) diskutiert. Diese können als mechanisch geschwächte, defekte Regionen im Glas verstanden werden. Hier wird der Bezug zwischen diesen Regionen und dem Boson-Peak, einer Anomalie, die im Vibrationsspektrum aller Gläser auftritt, untersucht. Es wird durch Untersuchungen an verschiedenen amorphen und teilamorphen Proben, sowie an Hochentropielegierungen gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen Boson-Peak und Soft-Spots existiert. Abschließend wird die plastische Deformation von Gläsern mit und ohne kristalline Zweitphasen behandelt. Eine Erklärung der experimentell beobachteten Variation von Ausbreitungsrichtung, Zusammensetzung und Dichte entlang eines Scherbandes wird vorgeschlagen. Die Variationen der Ausbreitungsrichtung sind klein im Falle von einphasigen Gläsern. Einen erheblich größeren Einfluss auf die Scherbandausbreitung wird von Ausscheidungen ausgeübt. Eine systematische Untersuchung von Kompositsystemen von geringem Kristallanteil bis hin zu nanokristallinen Systemen erlaubt die Erstellung einer Mechanismenkarte. Ein Zusammenbruch dieser Mechanismen kann beim Übergang in den nanokristallinen Zustand beobachtet werden.