Plasticity of metallic glasses dictated by their state at the fragile-to-strong transition temperature

Abstract

The effect of cooling on the plasticity of glasses in general, and bulk metallic glasses (BMGs) in particular, is usually studied with continuously varying cooling rates; slower cooling rates lead to stiffer, harder, and more brittle glasses than higher cooling rates. These protocols obscure any potential discontinuity that a glass might experience, depending on whether its microstructure resembles that of a fragile or a strong glass-forming liquid. Here, we use large-scale molecular dynamics to simulate the nanoindentation behavior of model BMGs (Zr0.6Cu0.3Al0.1) obtained by rapidly quenching equilibrium melts from temperatures above and below the fragile-to-strong transition temperature T_fst, leading to fragile and strong glasses, respectively. While the contact modulus deduced from the indentation simulation evolves smoothly with the temperature T_q from which the equilibrium melt is quenched, the plastic response changes quasi-discontinuously as T_q passes through T_fst. In particular, strong glasses develop highly asymmetric flow profiles with mature shear bands, unlike fragile glasses. Differences are most evident in the von Mises strain localization parameter, which, after shear-band formation, takes similar values for all fragile samples and distinct values for strong samples. Moreover, seemingly erratic flow profiles for our indentation geometry produced surprisingly reproducible and, thus, deterministic features. It remains to be determined to what extent other classes of glass formers follow our observation that plastic behavior is significantly influenced by whether the melt is fragile or strong when it falls out of equilibrium during cooling.

Recommended citation: Atila, Sukhomlinov, Honecker, Müser. "Plasticity of metallic glasses dictated by their state at the fragile-to-strong transition temperature." Acta Materialia. 286().
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates how the cooling process of metallic glasses, specifically bulk metallic glasses (BMGs), influences their ability to deform (plasticity). BMGs are known for their exceptional strength and toughness, but they can be prone to localized damage like shear bands, which can lead to cracks. The researchers focused on a critical temperature point called the fragile-to-strong transition temperature (Tfst). They simulated how BMGs behave when subjected to nanoindentation, a process similar to scratching a surface with a tiny diamond tip, after being cooled from temperatures above or below Tfst. The key finding is that the BMG's behavior during indentation changes significantly around Tfst. Glasses cooled from below this temperature (strong glasses) exhibit more distinct and localized shear bands, leading to a more brittle-like deformation. In contrast, glasses cooled from above this temperature (fragile glasses) show broader, less defined deformation patterns. This suggests that the material's state at this specific transition temperature strongly dictates its mechanical properties, potentially impacting how these advanced materials can be manufactured and used in applications requiring high performance and durability.

🇸🇦 العربية
تستكشف هذه الدراسة كيف تؤثر عملية تبريد المعادن الزجاجية، وخاصة الزجاج المعدني السائب (BMGs)، على قدرتها على التشوه (اللدونة). تُعرف الزجاجات المعدنية السائبة بقوتها ومتانتها الاستثنائيتين، لكنها قد تكون عرضة للتلف الموضعي مثل نطاقات القص، والتي يمكن أن تؤدي إلى تشققات. ركز الباحثون على نقطة حرجة في درجة الحرارة تسمى درجة حرارة الانتقال من الهشاشة إلى القوة (Tfst). قاموا بمحاكاة سلوك الزجاجات المعدنية السائبة عند تعرضها للخدش النانوي، وهي عملية تشبه خدش السطح بطرف ماسي صغير، بعد تبريدها من درجات حرارة أعلى أو أقل من Tfst. النتيجة الرئيسية هي أن سلوك الزجاج المعدني السائب أثناء الخدش يتغير بشكل كبير حول Tfst. تُظهر الزجاجات المبردة من أسفل درجة الحرارة هذه (الزجاجات القوية) نطاقات قص أكثر وضوحًا وموضعية، مما يؤدي إلى تشوه يشبه الهشاشة. في المقابل، تُظهر الزجاجات المبردة من أعلى درجة الحرارة هذه (الزجاجات الهشة) أنماط تشوه أوسع وأقل تحديدًا. يشير هذا إلى أن حالة المادة عند درجة حرارة الانتقال المحددة هذه تحدد بشكل كبير خصائصها الميكانيكية، مما قد يؤثر على كيفية تصنيع هذه المواد المتقدمة واستخدامها في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا ومتانة.

🇫🇷 Français
Cette étude examine comment le processus de refroidissement des verres métalliques, en particulier les verres métalliques en vrac (BMG), influence leur capacité de déformation (plasticité). Les BMG sont reconnus pour leur résistance et leur ténacité exceptionnelles, mais ils peuvent être sujets à des dommages localisés tels que des bandes de cisaillement, qui peuvent entraîner des fissures. Les chercheurs se sont concentrés sur un point de température critique appelé la température de transition fragile-fort (Tfst). Ils ont simulé le comportement des BMG lorsqu'ils sont soumis à une nanoindentation, un processus similaire au grattage d'une surface avec une pointe de diamant minuscule, après avoir été refroidis à partir de températures supérieures ou inférieures à Tfst. La principale conclusion est que le comportement du BMG lors de l'indentation change de manière significative autour de Tfst. Les verres refroidis en dessous de cette température (verres forts) présentent des bandes de cisaillement plus distinctes et localisées, entraînant une déformation plus semblable à la fragilité. En revanche, les verres refroidis au-dessus de cette température (verres fragiles) montrent des modèles de déformation plus larges et moins définis. Cela suggère que l'état du matériau à cette température de transition spécifique dicte fortement ses propriétés mécaniques, ce qui pourrait avoir un impact sur la manière dont ces matériaux avancés peuvent être fabriqués et utilisés dans des applications nécessitant des performances et une durabilité élevées.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht, wie der Kühlprozess von metallischen Gläsern, insbesondere von Bulk-Metallgläsern (BMGs), ihre Verformungsfähigkeit (Plastizität) beeinflusst. BMGs sind bekannt für ihre außergewöhnliche Festigkeit und Zähigkeit, können aber anfällig für lokalisierte Schäden wie Scherbänder sein, die zu Rissen führen können. Die Forscher konzentrierten sich auf einen kritischen Temperaturpunkt, die sogenannte 'fragile-to-strong'-Übergangstemperatur (Tfst). Sie simulierten das Verhalten von BMGs, wenn sie einer Nanoindentation unterzogen wurden, einem Prozess, der dem Zerkratzen einer Oberfläche mit einer winzigen Diamantspitze ähnelt, nachdem sie von Temperaturen oberhalb oder unterhalb von Tfst abgekühlt wurden. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass sich das Verhalten des BMG während der Indentation um Tfst herum signifikant ändert. Gläser, die von unterhalb dieser Temperatur abgekühlt wurden (starke Gläser), zeigen ausgeprägtere und lokalisiertere Scherbänder, was zu einer sprödeähnlicheren Verformung führt. Im Gegensatz dazu zeigen Gläser, die von oberhalb dieser Temperatur abgekühlt wurden (fragile Gläser), breitere, weniger definierte Verformungsmuster. Dies deutet darauf hin, dass der Zustand des Materials an dieser spezifischen Übergangstemperatur seine mechanischen Eigenschaften stark bestimmt und potenziell beeinflusst, wie diese fortschrittlichen Materialien hergestellt und in Anwendungen eingesetzt werden können, die hohe Leistung und Haltbarkeit erfordern.