Characterization of the structure, stability, mechanical and electrochemical properties of metallic glasses

Abstract

Metallic glasses are often referred as glassy or amorphous alloys. They lack long-range order and microstructural defects that are characteristics in crystals, such as grain and phase boundaries and dislocations. These new materials have demonstrated very interesting structural and mechanical properties derived from their homogeneity in composition and the absence of grain boundaries. Structural, mechanical or chemical properties, among others, may be even superior to those observed in conventional metallic alloys, and therefore attracted great scientific and technological interest.

In this thesis project three different families of metallic glasses were selected to achieve a better understanding of amorphous alloys. First, a Ce-based alloy has been used to analyze a polyamorphic transition upon application of pressure to a more densely packed structure. X-ray diffraction and inelastic x-ray scattering data show a polyamorphic transition in the 2-10 GPa range, and this transition presents a hysteresis cycle between both compression and decompression data. The effect of this transition on mechanical properties is then evaluated. Second, a family of Fe-based metallic glasses, or amorphous steels, was selected to study their mechanical and electrochemical properties as a function of the structure and composition. The composition of the base alloy was first modified by addition of Yttrium in different concentrations as microalloying element and the structure was changed by thermal annealing, forming intermediate crystal/amorphous composites, up to a complete crystallization state. Finally, an entirely new alloy for biocompatible purposes has been designed, synthesized, and characterized. The basic structural characterization of this new Zr-Ti based amorphous alloy shows that is possible to produce the amorphous state in an alloy that does not contain toxic or unhealthy elements.

Los vidrios metálicos, comúnmente conocidos como aleaciones amorfas o vitrificadas, carecen de orden a largo alcance así como de defectos microestructurales comunes en los cristales, tales como dislocaciones o fronteras de grano y/o de fase. Esta nueva clase de materiales ha demostrado poseer propiedades muy interesantes derivadas de la ausencia de microestructura y la homogeneidad en su composición. Estas propiedades, estructurales, mecánicas y químicas, entre otras, pueden llegar a ser incluso superiores a las observadas en materiales convencionales, y por lo tanto los vidrios metálicos han atraído gran interés por parte de la comunidad científica así como de carácter tecnológico. En este proyecto de tesis se pretende obtener un mayor conocimiento sobre aleaciones metálicas amorfas, para lo cual se propusieron tres familias diferentes de vidrios metálicos. Primero, se utilizó una aleación de base Ce para analizar transiciones poliamórficas, entre un estado de baja densidad hacia una estructura densamente empaquetada, por efecto de la presión. Los resultados obtenidos por difracción de rayos X y dispersión inelástica de rayos X muestran una transición en un rango de presiones de 2 a 10 GPa presentando además histéresis con respecto a los datos obtenidos en compresión y descompresión. El efecto de dicha transición en las propiedades mecánicas de la aleación es también evaluado. En segundo lugar se eligió una familia de aleaciones de base Fe, conocidos también como aceros amorfos. Las propiedades mecánicas y electroquímicas en función de la estructura y la composición fueron evaluadas mediante la introducción de itrio como elemento microaleante y la modificación de la estructura por medio de tratamientos térmicos con la obtención de estructuras compuestas nanocristal-amorfo hasta una completa cristalización. Finalmente, se diseñó y sintetizó una aleación completamente nueva con el propósito de evaluar biocompatibilidad. La caracterización estructural básica de esta nueva aleación de base Zr-Ti sin elementos tóxicos y/o alergénicos muestra que es posible obtener aleaciones amorfas con las composiciones propuestas