Structural rejuvenation in metallic glasses

Die Verjungung der amorphen Struktur ist ein sehr vielversprechender Weg zum masschneidern mechanischer Eigenschaften von metallischen Glasern, mit dem finalen Ziel deren Duktilitat zu verbessern. Diese Arbeit umfasst Studien, die an zwei unterschiedlichen Systemen durchgefuhrt wurden. Die ersten beiden Studien konzentrieren sich auf Messungen der mechanischen Eigenschaften eines dunnen amorphen TiAl Films wahrend einer in-situ-Zugbelastung im Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Die dunnen Filme werden dabei mittels MEMS-basierten Testplatformen elastisch verformt, wobei diese auch eine gleichzeitige Messung der makroskopischen Spannung und Dehnung erlauben. Zur Messung des elastischen Dehnungstensors auf atomarer Ebene wird eine neue TEM Methodik entwickelt und implementiert, um diesen in mikrometergrosen Bereichen des amorphen Films zu bestimmen. Dies wird durch eine hochprazise Quantifizierung geometrischer Verzerrungen des ersten diffusen Rings ausgewahlter Elektronenbeugungsbilder erreicht. Die Hauptdehnung in Belastungsrichtung wird aus dem 2D-Dehnungstensor berechnet und mechanische Eigenschaften wie Elastizitatsmodul und Poissonzahl werden direkt aus den experimentellen Daten gewonnen. Die berechneten Hauptdehnungen auf atomarer Ebene zeigen dabei eine lineare Abhangigkeit von der angelegten Spannung und eine gute Ubereinstimmung mit den gemessenen makroskopischen Dehnungen. Dieses Verfahren erwies sich als sehr prazise und kann zudem zur Erstellung lokaler Dehnungsprofile und/oder Dehnungskarten von amorphen Dunnschichtproben verwendet werden. Des Weiteren werden die Moglichkeiten dieser Methode in einer zweiten Reihe von Experimenten genutzt, um die zeitabhangige Anderung der elastische Dehnung bei fixer externer Spannungen zu untersuchen. Die dabei beobachteten charakteristischen Anderungen der elastischen Eigenschaften uber die Zeit sind eine Folge der strukturellen Verjungung, verursacht durch die hochenergetische Elektronenbestrahlung. Insbesondere wird eine zeitabhangige Zunahme/Abnahme der elastischen Dehnung in Zugrichtung beobachtet, deren Sattigungswert linear mit einer vorhergehenden Spannungszunahme/-abnahme korreliert. Eine geringe Empfindlichkeit des Sattigungswertes von den Bestrahlungsparametern deutet darauf hin, dass die Anderung der elastischen Dehnung durch strukturelle Ubergange einer Population instabiler Atomkonfigurationen in lokale, elastisch weichere Bereiche induziert wird, wobei die Populationszahl von der Spannungsanderung abhangt. Um Einblicke in die strukturelle Veranderung zu erhalten, wurden klassische Molekulardynamik-Simulationen (MD) einschlieslich hochenergetischer Elektronenstreuungsereignisse unter Zugbelastung durchgefuhrt. Die Simulationen zeigen eine Anderung der fur die Strukturverjungung charakteristischen Grosen. Eine Verringerung des lokalen Schermoduls manifestiert sich dabei als zeitabhangige Zunahme der elastischen Dehnung auf atomarer Ebene bei fixer auserer Spannung. Die hier vorgestellten Ergebnisse sind fur die experimentelle Charakterisierung amorpher Materialien mittels TEM von hoher Relevanz und zeigen eine neue Perspektive fur lokale Strukturveranderungen mittels Elektronenbestrahlung auf. Im zweiten Teil werden Untersuchungen zur Verjungung eines metallischen Glasses, bestehend aus einer CuZrAlAg-Legierung, durch starke plastische Verfor- mung vorgestellt. Hochdruck-Torsionsverformungen wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgefuhrt und 2D-Querschnitte der resultierenden Proben mittels Synchrotron-Rontgenbeugung, Nanoindentierung, dynamischer Differenzkalorimetrie, Rasterkraft- und Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Zunahme des mittleren atomaren Volumens durch die verformungsinduzierte strukturelle Modifikation. Der Grad der Verjungung nimmt mit dem Verformungsgrad zu, was sich in einer Zunahme des mittleren atomaren Volumens sowie der Relaxationsenthalpie manifestiert. Eine klare Korrelation, sowohl zwischen elastischer und plastischer Erweichung (bis zu 20 %) als auch zwischen Erweichung und Zunahme des mittleren atomaren Volumens, wird beobachtet. Jedoch zeigt sich eine starke Inhomogenitat der strukturellen Verjungung, insbesonders bei sehr hochverformten Proben, wobei sich ein starker Gradient uber die Hohe entwickelt. Synchrotron Rontgenbeugungs- und Nanoindentierungsmessungen erlauben die Schlussfolgerung, dass die elastischen Fluktuationen im verjungten Material auf verschiedenen Langenskalen bis hinunter zur atomaren Skala verstarkt sind. Zudem ergibt sich eine Erhohung des berechneten Flexibilitatsvolumens und der entsprechenden mittleren quadratischen Abweichung von der atomaren Gleichgewichtsposition. Systematische Studien mittels Nanoindentierung zeigen in den verjungten Bereichen eine Zunahme der Plastizitat und folglich eine homogenere, gleichmasigere Verformung. Ein robuster Algorithmus, entwickelt zur zuverlassigen Erkennung und Quantifizierung von Diskontinuitaten in Nanoindentierungskurven (Last vs. Eindringtiefe), liefert eine Reduktion von erkennbaren Diskontinuitaten sowie eine Verringerung des zugehorigen Verschiebungsversatzes. Daruber hinaus werden ein verstarktes Kriechverhalten mit anelastischem und viskoplastischem Anteil, sowie weniger stark ausgepragte Stufen im Oberflachenprofil der plastischen Zone rund um einen Eindruck beobachtet. Die Summe der experimentellen Ergebnisse zeigt konsistent, dass Verjungung durch HPT-Verformung zu strukturellen und dynamischen Heterogenitaten, erhohter atomarer Mobilitat und einer verbesserten Duktilitat fuhrt.