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Creep of Cu-Zr metallic glasses and metallic glass composites: A molecular dynamics study

Kalcher, Constanze (2019):
Creep of Cu-Zr metallic glasses and metallic glass composites: A molecular dynamics study.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8610],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Creep is the time-dependent deformation of a material at elevated temperature and under stress-conditions below yield. This slow, time-delayed deformation can ultimately lead to the failure of an engineering component, especially in high-temperature applications. But even well before material failure, the elongation of an engineering component, e.g. a turbine blade, during service life can have catastrophic consequences. Thus, knowledge of the mechanism of creep deformation is of utmost importance for choosing a material for a specific engineering application. While the phenomenon of creep is already well understood in metals and a large body of work exists on how to improve their creep resistance, this behavior is not exclusive to crystalline materials. Partly crystalline materials such as polymers and ceramics and even glasses can exhibit significant creep deformation as well. For the conventional soda-lime glass the possibility of creep seems irrelevant in its typical application window, but with the development of new glassy materials, such as metallic glasses, that are amorphous metals quenched from the melt and potential candidates for a wide application range of temperatures and stresses, the assessment of the creep behavior of amorphous materials has been taken beyond purely scientific interest. In this thesis molecular dynamics simulations are used to understand the creep behavior of a homogeneous Cu_{64}Zr_{36} metallic glass as well as glass-crystal composites. First, we treat the case of the homogeneous glass, and establish the temperature and stress parameter range necessary to observe creep in molecular dynamics simulations. Second, we will study the influence of the glass-crystal interface properties on the creep rates. The latter also critically depends on how realistic the computer composite model is.Third, we study a different microstructure of amorphous-crystalline composites which belong to the nanoglass family. We show how the glassy grain-boundary phase present in a nanoglass can be altered to have a reinforcing effect, both in the low temperature regime and under creep conditions.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Kalcher, Constanze
Title: Creep of Cu-Zr metallic glasses and metallic glass composites: A molecular dynamics study
Language: English
Abstract:

Creep is the time-dependent deformation of a material at elevated temperature and under stress-conditions below yield. This slow, time-delayed deformation can ultimately lead to the failure of an engineering component, especially in high-temperature applications. But even well before material failure, the elongation of an engineering component, e.g. a turbine blade, during service life can have catastrophic consequences. Thus, knowledge of the mechanism of creep deformation is of utmost importance for choosing a material for a specific engineering application. While the phenomenon of creep is already well understood in metals and a large body of work exists on how to improve their creep resistance, this behavior is not exclusive to crystalline materials. Partly crystalline materials such as polymers and ceramics and even glasses can exhibit significant creep deformation as well. For the conventional soda-lime glass the possibility of creep seems irrelevant in its typical application window, but with the development of new glassy materials, such as metallic glasses, that are amorphous metals quenched from the melt and potential candidates for a wide application range of temperatures and stresses, the assessment of the creep behavior of amorphous materials has been taken beyond purely scientific interest. In this thesis molecular dynamics simulations are used to understand the creep behavior of a homogeneous Cu_{64}Zr_{36} metallic glass as well as glass-crystal composites. First, we treat the case of the homogeneous glass, and establish the temperature and stress parameter range necessary to observe creep in molecular dynamics simulations. Second, we will study the influence of the glass-crystal interface properties on the creep rates. The latter also critically depends on how realistic the computer composite model is.Third, we study a different microstructure of amorphous-crystalline composites which belong to the nanoglass family. We show how the glassy grain-boundary phase present in a nanoglass can be altered to have a reinforcing effect, both in the low temperature regime and under creep conditions.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Materials Modelling
Zentrale Einrichtungen
Zentrale Einrichtungen > University IT-Service and Computing Centre (HRZ)
Zentrale Einrichtungen > University IT-Service and Computing Centre (HRZ) > Hochleistungsrechner
Date Deposited: 28 Apr 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8610
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86102
Referees: Albe, Prof. Dr. Karsten and Bitzek, Prof. Dr. Erik
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 December 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Unter Kriechen versteht man die zeitabhängige Verformung eines Materials bei erhöhter Temperatur und bei Spannungsbedingungen unterhalb der Streckgrenze. Diese langsame, zeitverzögerte Verformung kann insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen zum letztendlichen Ausfall eines technischen Bauteils führen. Doch bereits vor dem Materialversagen kann die Dehnung eines technischen Bauteils im Betrieb, z.B. einer Turbinenschaufel, katastrophale Folgen haben. Für die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes ist die Kenntnis des Mechanismus der Kriechverformung daher von großer Bedeutung. Für Metalle sind das Phänomen des Kriechens und Methoden zur Steigerung der Kriechfestigkeit größtenteils verstanden. Jedoch ist dieses Verhalten keineswegs auf kristalline Materialien beschränkt. Auch Polymere und Keramiken, die eine teilkristalline Struktur besitzen, sowie Gläser können signifikante Kriechverformungen aufweisen. Für das herkömmliche Kalk-Natron-Glas erscheint die Möglichkeit des Kriechens in seinem typischen Anwendungsfenster irrelevant. Mit der Entwicklung neuer glasartiger Materialien allerdings ist die Beurteilung des Kriechverhaltens von amorphen Werkstoffen nicht mehr zu vernachlässigen. Ein Beispiel sind metallische Gläser. Diese aus der Schmelze abgeschreckten amorphen Metalle sind potentielle Kandidaten für Anwendungen in einem breiten Temperatur- und Spannungsbereich. In dieser Arbeit werden Molekulardynamik Simulationen verwendet, um das Kriechverhalten eines homogenen metallischen Cu_{64}Zr_{36} Glases sowie von Glas-Kristall Kompositen zu verstehen. Zuerst wird der Fall des homogenen Glases betrachtet, um die Temperatur- und Spannungsparameter zu bestimmen die für das Beobachten von Kriechen in molekulardynamischen Simulationen nötig sind. Zweitens wird der Einfluss der Glas-Kristall-Grenzflächeneigenschaften auf das Kriechverhalten, d.h. auf die Kriechraten der Komposite, untersucht. Letzteres hängt auch entscheidend davon ab, wie realitätsnah das Komposit-Computermodell ist. Drittens wird eine weitere Mikrostruktur von amorph-kristallinen Verbundwerkstoffen behandelt, die zur Nanoglasfamilie gehört. Es wird gezeigt, dass die im Nanoglas vorhandene amorphe Korngrenzphase so verändert werden kann, dass eine verstärkende Wirkung sowohl im Tieftemperaturbereich als auch unter Kriechbedingungen erzielt wird.German
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