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Transmission Electron Microscopy Study of Deformation Processes in Metallic Glasses

Kang, Sangjun (2024)
Transmission Electron Microscopy Study of Deformation Processes in Metallic Glasses.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026534
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Amorphous metallic alloys known as metallic glasses exhibit remarkable mechanical strength, elasticity, and resistance to wear when compared to their crystalline counterparts. These intriguing attributes have generated considerable interest in utilizing them for engineering materials over the past decades. Nevertheless, a significant drawback of metallic glasses lies in their limited ductility, which causes them to undergo abrupt yielding when undergoing plastic deformation. This plastic deformation of metallic glasses primarily occurs through the creation of shear bands, brought by work-softening nature of glasses. As regions within the material experience plastic deformation, they become softer, promoting localized strain accumulation within a narrow band-like zone, so-called shear band. Unfortunately, the sudden emergence of shear bands contributes to the premature failure of metallic glasses and hinders their toughness. Hence, comprehending the mechanisms that give rise to shear band formation becomes pivotal in constructing the theory of glass deformation and enhancing the mechanical stability of metallic glasses. However, recent advancements in the deformation mechanisms of metallic glasses have predominantly leaned on simulations, as experimentally characterizing the amorphous phases and nanoscale volumes within shear bands comes with substantial challenges. The lack of experimental observations concerning the structures implicated in the deformation of metallic glasses has restricted research findings to a hypothetical level, stalling the progress in novel material development. This thesis focuses on an experimental investigation of deformed structures of metallic glasses using transmission electron microscopy (TEM) techniques, particularly four-dimensional (4D) scanning-TEM (STEM). The study incorporates methodological advancements, such as developing correlative mapping of nanoscale strain fields and atomic packing structure of glasses using 4D-STEM and Lorentz 4D-STEM, enabling the correlation of atomic structure and magnetic information. Machine learning analysis is applied to extract principal and correlated information from the 4D-STEM dataset. This development allows for direct experimental observations and detailed examination of the deformed structures in metallic glasses. The research outcomes establish an experimental foundation for understanding the formation of an individual shear band and the multiplication of shear bands. This is achieved through direct observations of strain concentrations, shear bands, shear band-affected zones (SBAZs), and local heterogeneity within a deformed glass matrix. Structure-property correlations in metallic glasses are discussed based on these microscopic observations. This new methodology is expected to open up extensive research possibilities for addressing questions in amorphous materials.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Kang, Sangjun
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Transmission Electron Microscopy Study of Deformation Processes in Metallic Glasses
Sprache: Englisch
Referenten: Kuebel, Prof. Dr. Christian ; Durst, Prof. Dr. Karsten ; Albe, Prof. Dr. Karsten ; Caron, Prof. Dr. Arnaud
Publikationsjahr: 17 Januar 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: XVI, 137 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 9 Oktober 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026534
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26534
Kurzbeschreibung (Abstract):

Amorphous metallic alloys known as metallic glasses exhibit remarkable mechanical strength, elasticity, and resistance to wear when compared to their crystalline counterparts. These intriguing attributes have generated considerable interest in utilizing them for engineering materials over the past decades. Nevertheless, a significant drawback of metallic glasses lies in their limited ductility, which causes them to undergo abrupt yielding when undergoing plastic deformation. This plastic deformation of metallic glasses primarily occurs through the creation of shear bands, brought by work-softening nature of glasses. As regions within the material experience plastic deformation, they become softer, promoting localized strain accumulation within a narrow band-like zone, so-called shear band. Unfortunately, the sudden emergence of shear bands contributes to the premature failure of metallic glasses and hinders their toughness. Hence, comprehending the mechanisms that give rise to shear band formation becomes pivotal in constructing the theory of glass deformation and enhancing the mechanical stability of metallic glasses. However, recent advancements in the deformation mechanisms of metallic glasses have predominantly leaned on simulations, as experimentally characterizing the amorphous phases and nanoscale volumes within shear bands comes with substantial challenges. The lack of experimental observations concerning the structures implicated in the deformation of metallic glasses has restricted research findings to a hypothetical level, stalling the progress in novel material development. This thesis focuses on an experimental investigation of deformed structures of metallic glasses using transmission electron microscopy (TEM) techniques, particularly four-dimensional (4D) scanning-TEM (STEM). The study incorporates methodological advancements, such as developing correlative mapping of nanoscale strain fields and atomic packing structure of glasses using 4D-STEM and Lorentz 4D-STEM, enabling the correlation of atomic structure and magnetic information. Machine learning analysis is applied to extract principal and correlated information from the 4D-STEM dataset. This development allows for direct experimental observations and detailed examination of the deformed structures in metallic glasses. The research outcomes establish an experimental foundation for understanding the formation of an individual shear band and the multiplication of shear bands. This is achieved through direct observations of strain concentrations, shear bands, shear band-affected zones (SBAZs), and local heterogeneity within a deformed glass matrix. Structure-property correlations in metallic glasses are discussed based on these microscopic observations. This new methodology is expected to open up extensive research possibilities for addressing questions in amorphous materials.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Amorphe Metalllegierungen, sogenannte Metallgläser, weisen im Vergleich zu ihren kristallinen Gegenstücken eine bemerkenswerte mechanische Festigkeit, Elastizität und Verschleißfestigkeit auf. Diese faszinierenden Eigenschaften haben in den letzten Jahrzehnten großes Interesse an ihrer Verwendung für technische Materialien geweckt. Ein wesentlicher Nachteil metallischer Gläser liegt jedoch in ihrer begrenzten Duktilität, die dazu führt, dass sie bei plastischer Verformung abrupt nachgeben. Diese plastische Verformung von Metallgläsern erfolgt hauptsächlich durch die Bildung von Scherbändern, die durch die erweichende Eigenschaft von Gläsern entstehen. Wenn Bereiche innerhalb des Materials einer plastischen Verformung unterliegen, werden sie weicher, was zu einer lokalen Spannungsansammlung innerhalb einer schmalen bandartigen Zone, dem sogenannten Scherband, führt. Leider trägt das plötzliche Auftreten von Scherbändern zum vorzeitigen Versagen von Metallgläsern bei und beeinträchtigt deren Zähigkeit. Daher ist das Verständnis der Mechanismen, die zur Scherbandbildung führen, von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion der Theorie der Glasverformung und die Verbesserung der mechanischen Stabilität metallischer Gläser. Jüngste Fortschritte bei den Verformungsmechanismen metallischer Gläser basieren jedoch überwiegend auf Simulationen, da die experimentelle Charakterisierung der amorphen Phasen und nanoskaligen Volumina innerhalb von Scherbändern mit erheblichen Herausforderungen verbunden ist. Der Mangel an experimentellen Beobachtungen zu den Strukturen, die bei der Verformung metallischer Gläser eine Rolle spielen, hat die Forschungsergebnisse auf ein hypothetisches Niveau beschränkt und den Fortschritt bei der Entwicklung neuartiger Materialien blockiert. Diese Arbeit konzentriert sich auf eine experimentelle Untersuchung deformierter Strukturen metallischer Gläser mithilfe von Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), insbesondere vierdimensionaler (4D) Raster-TEM (STEM). Die Studie umfasst methodische Fortschritte, wie die Entwicklung einer korrelativen Kartierung nanoskaliger Spannungsfelder und der atomaren Packungsstruktur von Gläsern mithilfe von 4D-STEM und Lorentz 4D-STEM, wodurch die Korrelation von Atomstruktur und magnetischen Informationen ermöglicht wird. Mithilfe maschineller Lernanalyse werden grundlegende und korrelierte Informationen aus dem 4D-STEM-Datensatz extrahiert. Diese Entwicklung ermöglicht direkte experimentelle Beobachtungen und detaillierte Untersuchungen der deformierten Strukturen in metallischen Gläsern. Die Forschungsergebnisse schaffen eine experimentelle Grundlage für das Verständnis der Bildung eines einzelnen Scherbandes und der Vervielfachung von Scherbändern. Dies wird durch direkte Beobachtungen von Dehnungskonzentrationen, Scherbändern, von Scherbändern beeinflussten Zonen (SBAZs) und lokaler Heterogenität innerhalb einer deformierten Glasmatrix erreicht. Basierend auf diesen mikroskopischen Beobachtungen werden Struktur-Eigenschafts-Zusammenhänge in metallischen Gläsern diskutiert. Es wird erwartet, dass diese neue Methodik umfangreiche Forschungsmöglichkeiten zur Bearbeitung von Fragestellungen zu amorphen Materialien eröffnet.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-265345
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > In-Situ Elektronenmikroskopie
Hinterlegungsdatum: 17 Jan 2024 13:13
Letzte Änderung: 18 Jan 2024 10:05
PPN:
Referenten: Kuebel, Prof. Dr. Christian ; Durst, Prof. Dr. Karsten ; Albe, Prof. Dr. Karsten ; Caron, Prof. Dr. Arnaud
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 9 Oktober 2023
Export:
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