Estudio de la inhomogeneidad elástica en vidrios metalicos en la mesoescala

Abstract

Metallic glasses are amorphous solids produced by rapid cooling, with disordered atomic structure and lacking long-range order. This structural disorder makes them to show mechanical properties different from those observed in a crystalline solid. Metallic glasses are ideally isotropic, but they can become anisotropic during the manufacturing process or as a result of non-homogeneous plastic deformation, creep, etc. Experimental studies showed remnant anisotropy in amorphous PdSiCuP under a homogeneous deformation regime at temperatures close to the glass transition (Tg). In this thesis we studied the remnant anisotropy induced by shear in two amorphous systems by using molecular dynamics simulation. The Cu13Ni34Pd53 system was chosen to approach the PdCuSiP compositions, while the Zr46Cu46Al8 system is an excellent metallic glass former. Amorphous systems were obtained by fast cooling from the liquid and subsequent thermal annealing. Both systems were then sheared in the [100] direction at a deformation speed of 10^10 s^(-1), and returned to its original form at the same speed. Shearing simulations were performed in isothermal-isobaric conditions at different temperatures. The resulting states were examined using the directional pair distribution function (d-PDF), calculated from the distribution function of interatomic distances in planes perpendicular to the selected axis. Remnant anisotropy was detected in both systems after a deformation-recovery cycle. Cu13Ni34Pd53 displays remnant anisotropy below the glass transition at 0 and 300 K after the shear process, and again at 700 K after the full deformation-recovery cycle. The intensity of anisotropy in the d-PDF of Zr46Cu46Al8 is lower than in Cu13Ni34Pd53, possibly due to the different atomic radii. However, it is found in all the studied temperature range, with decreasing intensity with temperature. Anisotropy is concentrated in the [110] planes and [1(-1)0], corresponding to the planes of maximum and minimum shear respectively. This result indicates that remnant anisotropy is highly directional and can go unnoticed if not searched for. It also states that the shear process is essentially symmetrical with respect to the plane [110]. The shear and recovery process induces the creation of free volume, falling into the category of rejuvenation processes discussed in the literature. Counterintuitively, the process of free volume creation is accompanied by a reduction of the distance of the first maximum of the pair distribution function g (r), indicating a decrease of the most likely distance (mode) between first neighbors. However, this decrease in mode is accompanied by an increase of the width of the first peak, increasing the standard deviation of the distribution of distances between first neighbors. This explains the apparent contradiction between the increase in the volume and reduction of the most probable distance between first neighbors. Simultaneously, the second coordination sphere is more homogenous after the deformation and recovery process. As a result, medium range order is increased. The discrepancy between the results obtained between Cu13Ni34Pd53 and Zr46Cu46Al8 may be due to the fact that the potential used in the simulations of Zr46Cu46Al8 is more representative of the behavior of metallic glasses. As a result, we hypothesize that the presence of remnant anisotropy after mechanical deformation could be a general feature in metallic glasses. The computational cost of this study was very high, since it was necessary to simulate million-atom systems to avoid that results were dependent on the size of the simulation box.

Los vidrios metálicos son sólidos amorfos producidos por enfriamiento rápido, con estructura atómica desordenada y sin orden de largo alcance. Este desorden estructural les proporciona propiedades mecánicas diferentes de las observadas en un sólido cristalino. Idealmente los vidrios metálicos son isotrópicos pero pueden convertirse en anisotrópicos durante el proceso de fabricación o como consecuencia de una deformación plástica no homogénea, fluencia, etc. Estudios experimentales mostraron anisotropía remanente en PdSiCuP amorfo bajo un régimen de deformación homogéneo a temperaturas cercanas a la transición vítrea (Tg). En esta tesis estudiamos la anisotropía remanente inducida por cizalla en dos sistemas amorfos mediante simulación por dinámica molecular. El sistema Cu13Ni34Pd53 se eligió intentando aproximarse a las composiciones PdCuSiP. Por otra parte, el sistema Zr46Cu46Al8 es un excelente formador de vidrios metálicos. Tras la obtención del sistema amorfo por enfriamiento rápido y equilibrado térmico ambos modelos fueron sometidos a deformación por cizalladura en la dirección [100], a una velocidad de deformación de 10^10 s^(-1), y retornados a su forma original con la misma velocidad, en condiciones isotérmicas-isobáricas a diferentes temperaturas. Los estados obtenidos fueron examinados utilizando la función de distribución par direccional (dPDF), calculada a partir de la distribución de distancias interatómicas en los planos perpendiculares al eje escogido. En ambos sistemas se detectó anisotropía remanente después de un ciclo deformación- recuperación. En Cu13Ni34Pd53 se observa anisotropía remanente por debajo de la transición vítrea en 0 y 300 K al final del proceso de cizalla, y nuevamente en el estado deformado a 700 K. En Zr46Cu46Al8, la intensidad de la anisotropía determinada en las d-PDF es menor que en Cu13Ni34Pd53, posiblemente debido a los radios atómicos, pero se observa en todo el rango de temperaturas estudiadas con intensidad decreciente con la temperatura. La anisotropía se concentra en los planos [110] y [1(-1)0], correspondientes a los planos de máxima y mínima cizalla respectivamente. Este resultado indica que la anisotropía remanente es altamente direccional y puede pasar desapercibida si no se busca específicamente. Asimismo, se observa que el proceso de cizalla es esencialmente simétrico con respecto al plano [1(-1)0]. El proceso de cizalla y recuperación induce la creación de volumen libre, entrando dentro de la categoría de los procesos de rejuvenecimiento analizados en la literatura. Contraintuitivamente, el proceso de creación de volumen libre va acompañando de una reducción de la distancia del primer máximo de la función de distribución de pares g(r), indicando una disminución de la distancia más probable (moda) entre primeros vecinos. Sin embargo, esta disminución de la moda va acompañada de un aumento de la anchura del primer pico, aumentando la desviación estándard de la distribución de distancias entre primeros vecinos. Esto explica la aparente contradicción entre el aumento del volumen y la reducción de la distancia más probable entre primeros vecinos. Simultáneamente, la segunda esfera de coordinación es más homogénea después del proceso de deformación y recuperación. En consecuencia, se produce un aumento del orden a media distancia. La discrepancia entre los resultados obtenidos entre Cu13Ni34Pd53 y Zr46Cu46Al8 puede deberse a que el potencial en Zr46Cu46Al8 es más representativo del comportamiento de los vidrios metálicos. Consecuentemente, la presencia de anisotropía remanente después de deformación mecánica podría ser una característica general en los vidrios metálicos. El coste computacional de este estudio ha sido muy alto, puesto que ha sido necesario simular sistemas con muchos átomos para evitar que los resultados obtenidos fuesen dependientes del tamaño de la caja de simulación utilizadas