Viscoelastic behavior of high-entropy metallic glasses

Abstract

(Català) Els vidres metàl·lics, especialment els d'alta entropia, es caracteritzen per la seva microestructura i propietats mecàniques úniques i, a més, permeten investigar la dinàmica de relaxació en materials desordenats i altres aspectes de la física de l’estat vitri. Aquesta tesi doctoral se centra en l'heterogeneïtat dinàmica i estructural dels vidres metàl·lics, amb èmfasi en els vidres metàl·lics d'alta entropia, desvetllant la complexa correlació entre les seves característiques microestructurals, el comportament tèrmic i les propietats mecàniques. La investigació pretén no només millorar la comprensió teòrica d'aquests materials, sinó també explorar nous mètodes per a la modificació i optimització de llurs propietats. En primer lloc, s'estudia àmpliament l'heterogeneïtat dinàmica i estructural, amb una anàlisi centrada en la connexió entre la relaxació β i les anomenades ‘zones líquides’. Això s'aconsegueix mitjançant una aplicació metòdica de processos de relaxació de tensió mecànica i espectroscòpia mecànica. Aquest enfocament revela una disminució de l'heterogeneïtat dinàmica depenent de la temperatura i dilucida la complexa interacció entre la relaxació β, el comportament de relaxació mecànic i l'evolució microestructural de zones líquides. Mitjançant l'aplicació de l'equació de Kohlrausch-Williams-Watts i diverses altres tècniques analítiques, l'estudi millora la nostra comprensió de les propietats fonamentals dels vidres metàl·lics, especialment en relació a la seva resposta mecànica. També s’estudia la modulació de l'heterogeneïtat dinàmica dels vidres metàl·lics. Aquesta exploració implica una varietat de tècniques de mesura, cadascuna proporcionant una visió única del comportament físic i mecànic dels vidres metàl·lics. Les investigacions del comportament de la fricció interna aclareixen la influència de les alteracions microestructurals, especialment les induïdes per envelliment a temperatures variables, en els mecanismes de dissipació d'energia dels vidres metàl·lics. A més, els estudis mitjançant càrregues cícliques dinàmiques, proves de fluència i mesures de relaxació de tensió mecànica proporcionen una comprensió més profunda dels cicles d'histèresi mecànica i dels mecanismes de deformació inelàstica. Aquests coneixements no només amplien la nostra comprensió dels comportaments mecànics que presenten els vidres metàl·lics, sinó que també demostren el potencial de diversos tractaments mecànics per adaptar les seves propietats, millorant així la seva eficàcia funcional i la seva integritat estructural. Finalment, s'investiga la correlació intrínseca entre la dinàmica estructural i la termodinàmica en vidres metàl·lics d'alta entropia, tant per excitacions de freqüència molt alta com extremadament baixa. El comportament d'alta freqüència s'explora mitjançant la mesures acústiques (EMAT), dilucidant les respostes mecàniques que depenen de la temperatura i l'estabilitat estructural a escala atòmica. Per altra banda, la calorimetria diferencial (DSC) facilita l'anàlisi de les propietats tèrmiques a freqüències extremadament baixes, descobrint transformacions estructurals graduals i l’estabilitat del material a llarg termini. Aquest enfocament proporciona una comprensió holística de la dinàmica de relaxació mecànica i tèrmica dels vidres metàl·lics d'alta entropia. Aquesta tesi contribueix substancialment a comprendre millor la física de no equilibri en materials vitris. L'anàlisi exhaustiva i els resultats d'aquesta investigació proporcionen noves idees sobre la dinàmica d'envelliment i relaxació dels vidres metàl·lics, millorant la nostra comprensió d'aquests materials tan complexos. L'anàlisi exhaustiva i les noves troballes que es presenten aquí tenen implicacions de gran abast per al desenvolupament, l'optimització i l'aplicació dels vidres metàl·lics, obrint el camí per a futurs avenços per llur aplicació i funcionalitat.

(Español) Los vidrios metálicos, especialmente los de alta entropía, se caracterizan por su microestructura y propiedades mecánicas únicas y, además, permiten investigar la dinámica de relajación en materiales desordenados y otros aspectos de la física del estado vítreo. Esta tesis doctoral se centra en la heterogeneidad dinámica y estructural de los vidrios metálicos, con énfasis en los vidrios metálicos de alta entropía, desvelando la compleja correlación entre sus características microestructurales, el comportamiento térmico y las propiedades mecánicas. La investigación pretende no sólo mejorar la comprensión teórica de estos materiales, sino también explorar nuevos métodos para la modificación y optimización de sus propiedades. En primer lugar, se estudia ampliamente la heterogeneidad dinámica y estructural, con un análisis centrado en la conexión entre la relajación β y las llamadas zonas líquidas. Esto se logra mediante una aplicación metódica de procesos de relajación de tensión mecánica y espectroscopia mecánica. Este enfoque revela una disminución de la heterogeneidad dinámica en función de la temperatura y dilucida la compleja interacción entre la relajación β, el comportamiento de relajación mecánico y la evolución microestructural de las zonas líquidas. Mediante la aplicación de la ecuación de Kohlrausch-Williams-Watts y otras técnicas analíticas, el estudio mejora nuestra comprensión de las propiedades fundamentales de los vidrios metálicos, especialmente en relación a su respuesta mecánica. También se estudia la modulación de la heterogeneidad dinámica de los vidrios metálicos. Esta exploración implica una variedad de técnicas de medida, proporcionando cada una una visión única del comportamiento físico y mecánico de los vidrios metálicos. Las investigaciones del comportamiento de la fricción interna aclaran la influencia de las alteraciones microestructurales, especialmente las inducidas por envejecimiento a varias temperaturas, en los mecanismos de disipación de energía de los vidrios metálicos. Además, los estudios mediante cargas cíclicas dinámicas, pruebas de fluencia y medidas de relajación de tensión mecánica proporcionan una comprensión más profunda de los ciclos de histéresis mecánica y de los mecanismos de deformación inelástica. Estos conocimientos no sólo amplían nuestra comprensión de los comportamientos mecánicos que presentan los vidrios metálicos, sino que también demuestran el potencial de diversos tratamientos mecánicos para adaptar sus propiedades, mejorando así su eficacia funcional y su integridad estructural. Por último, se investiga la correlación intrínseca entre la dinámica estructural y la termodinámica en vidrios metálicos de alta entropía, tanto por excitaciones de frecuencia muy alta como extremadamente baja. El comportamiento de alta frecuencia se explora mediante medidas acústicas (EMAT), dilucidando las respuestas mecánicas que dependen de la temperatura y la estabilidad estructural a escala atómica. Por otra parte, la calorimetría diferencial (DSC) facilita el análisis de las propiedades térmicas a frecuencias extremadamente bajas, descubriendo transformaciones estructurales graduales y la estabilidad del material a largo plazo. Este enfoque proporciona una comprensión holística de la dinámica de relajación mecánica y térmica de los vidiros metálicos de alta entropía. Esta tesis contribuye sustancialmente a comprender mejor la física de no equilibrio en materiales vítreos. El análisis exhaustivo y los resultados de esta investigación proporcionan nuevas ideas sobre la dinámica de envejecimiento y relajación de los vidrios metálicos, mejorando nuestra comprensión de estos materiales tan complejos. El análisis exhaustivo y los nuevos hallazgos aquí presentados tienen implicaciones de gran alcance para el desarrollo, la optimización y la aplicación de los vidrios metálicos, abriendo el camino para futuros avances en su aplicación y funcionalidad.

(English) Metallic glasses, especially high-entropy metallic glasses, characterized by their unique microstructure and mechanical properties, provide an effective way for investigating relaxation dynamics and related aspects in the field of glass science. This doctoral thesis focuses on the dynamic and structural heterogeneity of metallic glasses, with an emphasis on high-entropy metallic glasses, unraveling the complex correlation between their microstructural characteristics, thermal behavior, and mechanical properties. The research aims not only to enhance the theoretical understanding of these materials but also to explore novel methods for their modulation and optimization. Firstly, an extensive characterization of dynamic and structural heterogeneity in metallic glasses is studied, with a focused analysis on the connection between β relaxation and liquid-like zones. This is achieved through a methodical application of stress relaxation and recovery processes, supported by mechanical spectroscopy. This approach reveals a critical temperature-dependent decrease in dynamic heterogeneity and elucidates the complex interplay between β relaxation, stress relaxation behavior, and the microstructural evolution of liquid-like zones. Through the application of the Kohlrausch-Williams-Watts equation and various other analytical techniques, the study enhances our comprehension of the fundamental properties of metallic glasses, especially in relation to their mechanical response. Furthermore, the modulation of dynamic heterogeneity in metallic glasses is unveiled. This exploration involves a variety of mechanical measurement techniques, each providing unique insights into the physical and mechanical behavior of metallic glasses, especially for high-entropy metallic glasses. Investigations of the internal friction behavior shed light on the influence of microstructural alterations, especially those induced by varying aging temperatures, on energy dissipation mechanisms in metallic glasses. Additionally, the studies through dynamic cyclic loading, creep testing, and stress relaxation measurements provide a more profound understanding of mechanical hysteresis loops and the mechanisms of inelastic deformation. These insights not only broaden the scope of our comprehension of the mechanical behaviors exhibited by metallic glasses but also demonstrate the potential of various mechanical interventions in tailoring their dynamic properties, thereby enhancing their functional efficacy and structural integrity. Finally, the intrinsic correlation between dynamics and thermodynamics in high-entropy metallic glasses is investigated across both super-high and extremely low frequency domains. High-frequency behavior is explored via electromagnetic acoustic transformation (EMAT), elucidating temperature-dependent mechanical responses and atomic-scale structural stability. In contrast, differential scanning calorimetry (DSC) facilitates the analysis of thermal properties at extremely low frequencies, uncovering gradual structural transformations and long-term material stability. This bifurcated frequency approach yields a holistic understanding of the mechanical and thermal dynamics of high-entropy metallic glasses, emphasizing the significance of the probed frequency window in determining their macroscopic properties. Overall, this dissertation contributes substantially to the domain of non-equilibrium physics in glassy materials. The comprehensive analysis and findings of this research provide novel insights into the aging and relaxation dynamics of metallic glasses, enhancing our understanding of these complex materials. The comprehensive analysis and novel findings presented herein have far-reaching implications for the development, optimization, and application of metallic glasses, paving the way for future advancements in their application and functionality.