On the presence of nanoscale heterogeneity in Ni₁₅Co₁₅Al₇₀ metallic glass under pressure

Abstract

Metallic glasses exhibit structural heterogeneity at the nanoscale, which influences their mechanical and physical properties. Using molecular dynamics simulations, we investigate the structural heterogeneity and its pressure dependence in Ni₁₅Co₁₅Al₇₀ metallic glass. The results show nanoscale compositional and structural fluctuations that evolve under applied pressure. Icosahedral-like clusters are identified as key structural motifs whose concentration and distribution change with pressure. These findings provide insights into the pressure-driven structural evolution of metallic glasses and its relationship to their properties.

Recommended citation: Atila, Kbirou, Ouaskit, Hasnaoui. "On the Presence of Nanoscale Heterogeneity in Ni₁₅Co₁₅Al₇₀ Metallic Glass Under Pressure." Journal of Non-Crystalline Solids. 550(120381).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
Metallic glasses are fascinating materials known for their excellent mechanical properties, but their atomic-scale structure and behavior under extreme conditions like high pressure are not fully understood. This paper investigates how pressure affects the structure of a specific metallic glass, Al70Ni15Co15, using advanced computer simulations called molecular dynamics. By simulating the material's behavior as it cools under pressures ranging from 0 to 70 GPa, the researchers analyzed various structural characteristics, including how atoms are arranged, their local symmetry, and the overall order within the material. The simulations revealed several crucial insights: the glass transition temperature of Al70Ni15Co15 increases significantly with pressure, meaning it becomes harder for the material to transition from a liquid-like to a solid-like state at higher pressures. More importantly, high pressure induces the formation of tiny crystalline regions, typically 1 to 4 nanometers in size, embedded within the otherwise disordered glassy structure. These nanoscale crystals are surrounded by mixed-like clusters, creating a heterogeneous material. This discovery suggests that applying pressure during manufacturing can be a powerful tool to control the internal structure and properties of metallic glasses, potentially leading to the development of new materials with customized strength and ductility for diverse engineering applications.

🇸🇦 العربية
الزجاج المعدني مواد رائعة معروفة بخصائصها الميكانيكية الممتازة، لكن بنيتها على المستوى الذري وسلوكها تحت الظروف القاسية مثل الضغط العالي ليست مفهومة بالكامل. تبحث هذه الورقة في كيفية تأثير الضغط على بنية زجاج معدني معين، وهو Al70Ni15Co15، باستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة تُعرف باسم ديناميكيات الجزيئات. من خلال محاكاة سلوك المادة أثناء تبريدها تحت ضغوط تتراوح من 0 إلى 70 جيجا باسكال، حلل الباحثون خصائص هيكلية مختلفة، بما في ذلك كيفية ترتيب الذرات وتماثلها المحلي والترتيب العام داخل المادة. كشفت المحاكاة عن عدة رؤى حاسمة: تزداد درجة حرارة التحول الزجاجي لـ Al70Ni15Co15 بشكل كبير مع الضغط، مما يعني أن انتقال المادة من حالة شبيهة بالسائل إلى حالة شبيهة بالصلب يصبح أصعب عند الضغوط العالية. والأهم من ذلك، أن الضغط العالي يحفز تكوين مناطق بلورية صغيرة، يتراوح حجمها عادة من 1 إلى 4 نانومتر، مطمورة داخل البنية الزجاجية غير المنتظمة. تحاط هذه البلورات النانوية بتجمعات مختلطة، مما يخلق مادة غير متجانسة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن تطبيق الضغط أثناء التصنيع يمكن أن يكون أداة قوية للتحكم في البنية الداخلية وخصائص الزجاج المعدني، مما قد يؤدي إلى تطوير مواد جديدة ذات قوة وليونة مخصصة لتطبيقات هندسية متنوعة.

🇫🇷 Français
Les verres métalliques sont des matériaux fascinants connus pour leurs excellentes propriétés mécaniques, mais leur structure à l'échelle atomique et leur comportement dans des conditions extrêmes comme la haute pression ne sont pas entièrement compris. Cet article examine comment la pression affecte la structure d'un verre métallique spécifique, l'Al70Ni15Co15, en utilisant des simulations informatiques avancées appelées dynamique moléculaire. En simulant le comportement du matériau lorsqu'il refroidit sous des pressions allant de 0 à 70 GPa, les chercheurs ont analysé diverses caractéristiques structurelles, y compris la disposition des atomes, leur symétrie locale et l'ordre général au sein du matériau. Les simulations ont révélé plusieurs informations cruciales : la température de transition vitreuse de l'Al70Ni15Co15 augmente significativement avec la pression, ce qui signifie qu'il devient plus difficile pour le matériau de passer d'un état liquide à un état solide à des pressions plus élevées. Plus important encore, la haute pression induit la formation de minuscules régions cristallines, généralement de 1 à 4 nanomètres, intégrées dans la structure vitreuse autrement désordonnée. Ces cristaux nanométriques sont entourés de grappes de type mixte, créant un matériau hétérogène. Cette découverte suggère que l'application de pression pendant la fabrication peut être un outil puissant pour contrôler la structure interne et les propriétés des verres métalliques, conduisant potentiellement au développement de nouveaux matériaux avec une résistance et une ductilité personnalisées pour diverses applications d'ingénierie.

🇩🇪 Deutsch
Metallische Gläser sind faszinierende Materialien, die für ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt sind, aber ihre atomare Struktur und ihr Verhalten unter extremen Bedingungen wie hohem Druck sind noch nicht vollständig verstanden. Diese Arbeit untersucht, wie Druck die Struktur eines spezifischen metallischen Glases, Al70Ni15Co15, beeinflusst, indem sie fortschrittliche Computersimulationen, sogenannte Molekulardynamik, verwendet. Durch die Simulation des Materialverhaltens beim Abkühlen unter Drücken von 0 bis 70 GPa analysierten die Forscher verschiedene strukturelle Merkmale, einschließlich der Anordnung der Atome, ihrer lokalen Symmetrie und der Gesamtordnung innerhalb des Materials. Die Simulationen ergaben mehrere entscheidende Erkenntnisse: Die Glasübergangstemperatur von Al70Ni15Co15 steigt signifikant mit dem Druck, was bedeutet, dass es für das Material bei höheren Drücken schwieriger wird, von einem flüssigkeitsähnlichen in einen festkörperähnlichen Zustand überzugehen. Noch wichtiger ist, dass hoher Druck die Bildung winziger kristalliner Regionen, typischerweise 1 bis 4 Nanometer groß, hervorruft, die in die ansonsten ungeordnete glasartige Struktur eingebettet sind. Diese nanoskaligen Kristalle sind von gemischten Clustern umgeben, wodurch ein heterogenes Material entsteht. Diese Entdeckung legt nahe, dass die Anwendung von Druck während der Herstellung ein mächtiges Werkzeug sein kann, um die innere Struktur und die Eigenschaften metallischer Gläser zu steuern, was potenziell zur Entwicklung neuer Materialien mit maßgeschneiderter Festigkeit und Duktilität für verschiedene technische Anwendungen führen kann.