Dynamics of metallic glasses explored by mechanical relaxation

Abstract

Dynamic mechanical analysis (DMA) is often used to explore the relaxation dynamics of metallic glasses (MGs). Secondary relaxations in metallic glasses appear as an excess wing, as a shoulder of the primary relaxation peak or as a differentiated low temperature peak on the loss modulus E''(T). In order to differentiate this relaxation from a-relaxation, which is due to collective movement and directly related to the elastic (solid glass) to viscous (supercooled liquid) transition, it is termed as ß-relaxation. Its origin and main characteristics are still not clear and the understanding of the ß-process is still developing. Early results based on DMA suggested that it is the result of anelastic events, as the system is in a metastable state. It might be originated from diffusion processes, resembling Zener or Snoek relaxation in crystalline materials. In the energy landscape picture it is attributed to jumps between close energy minima separated by a low energy barrier. It is also treated as a process related to the activation of shear transformation zones (STZ) or flow units. In this thesis, the mechanical relaxation of MG is explored by quasi-static measurements like creep and stress relaxation, and by DMA. The current theoretical models and experimental data available in literature are revised and discussed. Following, three different MG systems, namely, Cu46Zr46Al8, Pd42.5Ni7.5Cu30P20 and Fe55Cr10Mo14C15B6 are analyzed and it is clarified that the different sub-Tg relaxations manifested on the DMA behavior have different origins. Finally, we discuss the implications of the relaxation dynamics characterization presented in this work on the mechanical properties of these materials. The understanding of the relaxation behavior and some related phenomena like physical aging, mechanical deformation and internal damping is seen as fundamental to improve our knowledge of MGs, this leading to new alloys with improved mechanical performance.

L’anàlisi dinamo-mecànica (DMA) s'utilitza freqüentment per explorar la dinàmica de relaxació dels vidres metàl·lics (MGs). Les relaxacions secundàries (ß) en vidres metàl·lics apareixen com un pic al mòdul de pèrdues. Depenent de la seva intensitat, aquest pic està clarament diferenciat o apareix com una inflexió en el pic principal de relaxació primària (a) que es deu al moviment col·lectiu i està directament relacionat amb la transició entre un material elàstic (vidre sòlid) i un de viscós (líquid sotsrefredat). El seu origen i les característiques principals encara no són clares i la comprensió del procés de relaxació ß encara s'està desenvolupant. Els primers resultats obtinguts mitjançant DMA van suggerir que aquesta relaxació és el resultat de processos anelàstics, ja que el sistema està en un estat metastable. S’atribuí el seu origen a processos de difusió, similars a processos de relaxació tipus Zener o Snoek en materials cristal·lins. A l’espai de configuracions d’estats vitris determinats per l’energia potencial de cada configuració (Potential Energy Landscape), aquest procés s'atribueix a salts entre mínims propers d'energia separats per una barrera de baixa energia. També es tracta com un procés relacionat amb l'activació de zones locals de cisalla (Shear transformation zones, STZ) o regions locals de fluència. En aquesta tesi, la relaxació mecànica dels MGs s'explora mitjançant mesures quasiestàtiques de fluència i relaxació de la tensió, així com per DMA. Els models teòrics actuals i les dades experimentals disponibles a la literatura són revisats i discutits. Després, tres sistemes de MG diferents, en concret Cu46Zr46Al8, Pd42.5Ni7.5Cu30P20 i Fe55Cr10Mo14C15B6 s'analitzen i s'aclareix que les diferents relaxacions observades a temperatures per sota la transició vítria tenen diferents orígens. Finalment, es discuteixen les implicacions de la caracterització de la dinàmica de relaxació que es presenta en aquest treball sobre les propietats mecàniques d'aquests materials. La comprensió del comportament de relaxació mecànica i alguns fenòmens relacionats, com l'envelliment físic, la deformació mecànica i l’amortiment intern es consideren fonamentals per a millorar el nostre coneixement dels vidres metàl·lics i la obtenció de nous aliatges amb un millor rendiment mecànic.