Strukturelle Inhomogenitäten metallischer Massivgläser

Ziel ist es, in diesem transnationalen Forschungsprojekt das fundamentale Verständnis der Struktur und der mechanischen Eigenschaften von metallischen Gläsern zu verbessern. Die Klärung der Rolle struktureller Heterogenitäten soll dabei ermöglichen, die extrem inhomogene Verformung zu beeinflussen, um letztendlich die Sprödigkeit dieser Materialien zu reduzieren. Im Rahmen dieses Projektes wird die kurz- und mittelreichweitige atomare Ordnung in metallischen Gläsern mittels moderner transmissionselektronenmikroskopischer Methoden wie Fluktuationselektronenmikroskopie, sowie verschiedener Beugungsexperimente unter-sucht. Die Kombination von Elektronenmikroskopie, Synchrotron- und Neutronenbeugung, "Reverse Monte Carlo"-Simulationen als auch von ausgewählten in-situ Versuchen soll hierbei zu einem umfassenden Bild der amorphen Struktur führen. Darüber hinaus ist es geplant, das Entstehen topologischer und chemischer Heterogenitäten auf atomaren Längenskalen und ihr Einfluss auf das Verformungsverhalten zu bestimmen. Das vorliegende Projekt wird basierend auf gemeinsamen Voruntersuchungen als grenzüberschreitende Kooperation im Rahmen einer transnationalen Forschungsförderung zwischen den Antragstellern der Universität Wien (Österreich) und des Leibnitz Institutes, Dresden (Deutschland) durchgeführt. Um die ambitionierten Ziele zu erreichen und die komplexe Thematik systematisch zu analysieren, werden folgende Fragestellungen behandelt: I. Die Rolle der Zusammensetzung auf die kurz- und mittelreichweitige atomare Ordnung verschiedener metallischer Gläser II. Einfluss der Kühlrate auf die Struktur verschiedener metallischer Gläser III. Effekt der mechanischen Vorbehandlung auf die Details der Struktur verschiedener metallischer Gläser IV. Einfluss der strukturellen Relaxation auf verschiedenen Längenskalen von metallischen Gläsern verschiedener Zustände V. Modellierung der Struktur metallischer Gläser mittels der Methode der "Reverse Monte Carlo" Simulationen. Damit zielt dieses Projekt auf äußerst aktuelle Fragestellungen im Bereich der Materialphysik ab. Es ist geplant, dass die Resultate zu einem umfassenden Bild der glasartigen Struktur führen, inklusive der lokalen Veränderungen auf verschiedenen Längenskalen verursacht durch thermische und mechanische Vorbehandlung. Außerdem sind die zu erwartenden Ergebnisse von Interesse für die potentielle Entwicklung von Materialien mit verbesserten Eigenschaften.

In dem transnationalen Forschungsprojekt Strukturelle Inhomogenitäten metallischer Massivgläser wurde die atomare Struktur amorpher Metalle untersucht und mit mechanischen Eigenschaften korreliert. Bei amorphen Metallen liegt ähnlich wie bei Flüssigkeiten und Gläsern keine kristalline (periodische) sondern eine unregelmäßige Atomanordnung vor. Diese verleiht den sogenannten metallischen Gläsern besondere mechanischen Eigenschaften wie z.B. eine enorm hohe Festigkeit verbunden mit hoher Elastizität. Leider schränkt die starke Neigung zu sprödem Bruch, die ebenfalls inhärent mit der amorphen Struktur verbunden ist, bisher einen verbreiteten Einsatz ein. Die Verknüpfung von Struktur und Eigenschaft ist daher von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis und den technologischen Einsatz metallischer Gläser. Zur Behandlung der Fragestellungen wurden verschiedene state-of-the-art Methoden verwendet, inklusive Streumethoden mit Elektronen und Synchrotronstrahlung, um die amorphe Struktur und ihre Inhomogenitäten mit den Eigenschaften zu korrelieren. Es konnte gezeigt werden, dass das Zulegieren in CuZr basierten Gläsern den lokalen Strukturaufbau modifiziert und deren Vielfalt verändert. Abhängig vom Zulegierungselement können kristallähnliche Motive auftreten, welche die Ausbildung und Stabilität von glasartigen Strukturen wesentlich beeinflusst. Ebenso zeigen die Resultate, dass sehr schnelle und kurzzeitige Temperaturerhöhungen eine lokale Ordnungsänderung hervorrufen, die auch zu lokaler Kristallisation führen kann. Spezielle mechanische Vorbehandlungen wurden ebenfalls angewendet, um Struktur und damit verknüpften Eigenschaften wesentlich zu verändern. Durch Torsionsverformung unter hohem Druck wird das Volumen, welches ein Atom in der Struktur einnehmen kann erhöht, sodass die Dichte abnimmt und mechanische Eigenschaften wie Härte und Elastizität angepasst sowie die Homogenität der Verformung verbessert werden können. Um Aussagen über Struktur und Eigenschaften gleichzeitig treffen zu können, wurden auch in-situ Untersuchungen von metallischen Gläsern durchgeführt. Elastisches, anelastisches und plastisches Verhalten wurden ebenso untersucht wie der Effekt von nanoskaligen Heterogenitäten in Form von Kristalliten auf die lokalisierte Verformung. Dabei konnte mittels eigens entwickelter Analysetechnik gezeigt werden, dass aufgrund der fortlaufend verbesserten Methoden und ihrer erhöhten Sensitivität, auch der Einfluss der Messmethode auf das experimentelle Ergebnis selbst immer mehr an Bedeutung gewinnt. Das transnationale Forschungsprojekt wurde in enger Zusammenarbeit mit Kollegen vom Leibnitz-Institut für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden ausgearbeitet und durchgeführt.