Freies Volumen in metallischen Masssivgläsern

Fortschritte in der Materialphysik und Materialwissenschaften in den letzten Jahren haben es ermöglicht, dass sich immer mehr metallische Legierungen als Werkstoffe mit amorpher atomarer Struktur herstellen lassen. Die Bildung dieser so genannten metallischen Massivgläser durch Erstarren unterkühlter Schmelzen ist dabei gekennzeichnet durch einen starken Anstieg der Viskosität in einem sehr schmalen Temperaturbereich in der Nähe der Glastemperatur, die den Übergang von der unterkühlten Schmelze in den amorphen Festkörper charakterisiert. Bei der Aufklärung der lokalen atomaren Struktur dieser amorphen Metalle wurden bislang gute Fortschritte erzielt und die Prozesse beim Glasübergang sind vom Standpunkt der Thermodynamik aus auch mittlerweile sehr gut charakterisiert. Es fehlt jedoch noch ein tieferes Verständnis der kinetischen Prozesse auf atomarer Ebene und deren Einfluss bzw. Zusammenhang mit der Duktilität metallischer Massivgläser. In diesem Forschungsprojekt soll die Kinetik der atomaren Prozesse beim Glasübergang in metallischen Massivgläsern, speziell im Hinblick auf die Bildung freier Volumen, als struktureller Defekt, untersucht werden. Dazu soll in-situ die Zeitabhängigkeit der Längenänderung zur Einstellung des metastabilen Gleichgewichts nach raschen Temperaturwechseln im Temperaturbereich knapp unterhalb der Glastemperatur untersucht werden. Die experimentelle Methode, die spezifisch und sehr empfindlich für freie Volumen in Festkörpern ist, soll dabei schwerpunktmäßig auf metallische Massivgläser auf Zr/Cu Basis angewandt werden. Die Arbeiten umfassen im Einzelnen: - Bestimmung des Anteils des (reversibel) sich bildenden und ausheilenden freien Volumens - Bestimmung der kinetischen Parameter wie Zeitkonstanten, Wanderungsenthalpien und -entropien - Abhängigkeit der kinetischen Parameter von der Zusammensetzung der Massivgläser und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, z.B. die Duktilität. - Aufklärung der atomaren Kinetik des freien Volumens, die den Glasübergang bestimmt und deren Einfluss auf die Bildung von Scherbändern, die das duktile Verhalten beeinflussen. Bestimmung der Art des freien Volumens in metallischen Gläsern (lokalisiert/delokalisiert)? Von den Ergebnissen der umfassenden Untersuchungen wird eine Klärung der Frage erwartet, welche grundlegenden, atomaren Prozesse und Mechanismen den Glasübergang in metallischen Massivgläsern bestimmen. Speziell im Hinblick auf die Entwicklung neuartiger Werkstoffe, wie zum Beispiel die Herstellung amorpher Kupferlegierungen oder amorpher Stähle, ist die Kenntnis der fundamentalen Prozesse in metallischen Festkörpern, die zur Glasbildung führen notwendig. Auch für das Verständnis kovalent gebundener Netzwerkgläser sowie für Polymere können diese Ergebnisse von Nutzen sein.

Metallische Gläser sind amorphe Metalle, und wie amorph schon andeutet, fehlt diesen Materialien jegliche kristalline Ordnung. Sie sind zwar dicht gepackt, beinhalten aber einen hohen Anteil an Freiräumen, sogenanntes freies Volumen. Im Unterschied zu kristallinen Metallen, wo das freie Volumen z.B. in Form von Fehl- bzw. Leerstellen lokalisiert vorliegen kann, ist es in amorphen Metallen gleichmäßig im Festkörper verteilt. Metallische Gläser sind metastabil und nur bei relativ niedrigen Temperaturen unterhalb der sogenannten Glastemperatur anwendbar. Die für bestimmt Eigenschaften wichtige Kinetik der atomaren Prozesse in metallischen Gläsern, an denen das erwähnte freie Volumen nicht unmaßgeblich beteiligt ist, läuft daher sehr langsam über lange Zeiten ab. Um diese Prozesse zu untersuchen, bedarf es spezieller experimenteller Methoden. Dazu wurde am Institut die spezifische und hochempfindliche Methode der LASER-Dilatometrie weiterentwickelt, mit der Änderungen im freien Volumen über die damit einhergehende Längenänderungen bis in den Bereich von unter 100nm über sehr lange Zeiten präzise vermessen werden können. Damit wurde unter anderem auch das Phänomen des Glasübergangs untersucht, bei dem durch Erhöhung der Temperatur der amorphe, feste Zustand in einen Zustand der unterkühlten Schmelze übergeht. Diesen Glasübergang gibt es bei allen amorphen Festkörpern, d.h. auch bei Keramiken oder Polymeren. Das Verständnis des Glasübergangs ist von fundamentaler Bedeutung für die Physik fester Körper. In dieser Arbeit wurde bei einer metallischen amorphen Legierung für diesen Übergang zum ersten Mal die niedrigste, mögliche Temperatur bestimmt. Die Ergebnisse dieser experimentellen Arbeit sind wichtig, um aus mehreren konkurrierenden Theorien für den Glasübergang, die zutreffendste zu ermitteln.