Atomistic mechanics of metallic and network glasses

Abstract: The atomic-scale mechanisms underlying plastic deformation in amorphous materials are investigated in this thesis, aiming to advance the understanding of the macroscopic behavior of these materials. To this end Molecular Dynamics (MD) simulations are carried out on model systems of a Bulk Metallic Glass (BMG) and a network glass: CuZr and amorphous carbon (a-C).
First, the size of shear transformation zones (STZs) and evolution of shear bands in CuZr BMG are studied. Second, the elastic properties and yield behavior of a-C are examined. Single bond breaking events are isolated and set into the context of STZs.
Shear transformations are characterized by correlations of non-affine displacements in sheared CuZr BMG. In the elastic regime, the correlation shows exponential decay, with a characteristic length that can be interpreted as the size a STZ. After yield, shear bands form and the correlation length becomes system-size dependent. This can be interpreted as a first-order phase transition.
The stability of such shear bands is studied next. Pauses intermitting the shear deformation, allowing the sheared system to cool, do not impact a fully developed shear band, even at large applied strain. A simulation cell containing two identical shear bands is created by duplication of the previous cell. Shearing this super cell further does not lead to further localization, rather both shear bands coexist. At elevated temperatures, however, the shear bands dilate and the deformation becomes more homogeneous.
For the network glass, a-C, structure and elastic properties are determined from representative volumes, for a range of densities and amorphous morphologies, quench rates and two interatomic potentials with different philosophies: Tersoff+S and Gaussian Approximation Potential (GAP). All samples show a universal relationship between hybridization, density and bulk modulus, despite having distinct cohesive energies. The differences in cohesive energy are traced back to slight changes in the distribution of bond-angles of these structures.
Shearing these a-C samples, shear softening and serrated flow is found after an initial elastic response and yield. In this flow regime, deviatoric stress and hydrostatic pressure follow a pressure-modified von Mises (PMvM) law. Using the well defined first and second nearest neighbor relations in a-C, the network structure in terms of bonds and coordination numbers is analyzed. This allows for the application of Thorpe’s constraint counting theory, which can explain why the network becomes floppy below a specific mean coordination number.
Finally, individual bond-breaking and -forming events, the basic units of STZs, are studied in quasi-static shear simulations of the a-C structures. The events are extracted from the trajectories by cyclic deformations with small amplitudes. The energy landscape of a-C is explored around such events. The energy barriers obtained follow Eyrings transition state theory. Furthermore, a correlation is found between the distance two atoms jump apart when the bond breaks and the height of the barrier for this event. Using this correlation, the distribution of barrier heights for breaking and closing bonds in a-C is computed. The energy barrier are set into relation with the globally dissipated energy
Abstract: Diese Arbeit untersucht die Mechanismen der plastischen Deformation von amorphen Materialien auf mikroskopischer Skala, um das Verständnis des makroskopischen Verhaltens der Materialien zu verbessern. Dazu werden Molekulardynamik (MD) Simulationen an Modellsystemen für ein metallisches und ein Netzwerkglas ausgeführt: CuZr und amorphem Kohlenstoff (a-C).
Der erste Teil behandelt die Größe von Schertransformationszonen (STZ) und die Entwicklung von Scherbändern in CuZr. Im zweiten Teil werden die elastischen Konstanten und das Fließverhalten von a-C untersucht. Bindungsbrüche werden isoliert und im Kontext von STZs interpretiert.
STZs werden durch räumlich korrelierte nichtaffine Verschiebungen in geschertem CuZr charakterisiert. Im elastischen Regime zeigt die Korrelation einen exponentiellen Abfall, dessen charakteristische Länge als Größe einer STZ interpretiert wird. Im Fließbereich bilden sich Scherbänder und die Korrelationslänge wird abhängig von der Systemgröße.
Dies kann als Phasenübergang erster Ordnung interpretiert werden.
Als nächstes wird die Stabilität solcher Scherbänder untersucht. Pausen in der Deformation, die es dem System erlauben abzukühlen, beeinflussen voll ausgebildete Scherbänder selbst bei großen Dehnungen nicht. Bei der Scherung einer Superzelle mit zwei identischen Scherbändern tritt keine weitere Lokalisierung auf. Die beiden Scherbänder coexistieren. Bei höheren Temperaturen dehnen sich die Scherbänder dagegen aus und die Deformation wird homogener.
Für das Netzwerkglas a-C werden zuerst Struktur und elastische Konstanten über einen weiten Bereich von Dichten, Morphologien und Abkühlraten mit zwei interatomaren Kraftfeldern mit verschiedenen Philosophien bestimmt: Tersoff+S und Gaussian Approximation Potential (GAP). Alle Systeme zeigen einen universellen Zusammenhang zwischen Hybridisierung, Dichte und Kompressionsmodul, obwohl sie verschiedene Kohäsionsenergien besitzen. Die Unterschiede werden auf leichte Unterschiede in den Verteilungen der Bindungswinkel in diesen Strukturen zurück geführt.
Diese a-C Systeme zeigen unter Scherung, nach einer anfänglichen elastischen Antwort, Scherentfestigung und gezacktes Fließen. In diesem Fließbereich folgen die deviatorische Fließspannung und der hydrostatische Druck dem modifizierten von Mises-Fließkriterium. Mit Hilfe der wohldefinierten Nachbarschaftsbeziehungen in a-C werden Koordination und Netzwerkstruktur analysiert. Dadurch kann die Rigiditätstheorie angewendet werden, welche erklärt warum die Netzwerke unterhalb einer bestimmten mittleren Koordinationszahl ihre Scherfestigkeit verlieren.
Zuletzt werden Brüche und Neubildungen einzelner Bindungen in quasistatischen Simulationen untersucht. Diese stellen in a-C die elementare Einheit von STZs dar. Die Ereignisse werden mit Hilfe von zyklischer Deformation mit kleiner Amplitude aus den Trajektorien extrahiert. Die Energiebarrieren für diese Ereignisse folgen Eyrings Theorie des Übergangszustands. Darüber hinaus wird eine Korrelation gefunden zwischen der Höhe der Barriere für ein Ereignis und dem Entfernungsunterschied der beteiligten Atome vor und nach dem Ereignis. Mit Hilfe dieser Korrelation wird die Verteilung der Barrieren für brechende und geformte Bindungen in a-C berechnet. Die Energiebarrieren für einzelne STZs werden in Bezug gesetzt zur insgesamt dissipierten Energie

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Classification and Topics

• Keyword: Mechanics ; Simulation ; Kohlenstoff ; Metallisches Glas ; Netzwerk ; Glas

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2020
• Creator: Jana, Richard
• Contributor: Pastewka, Lars ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/166809
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1668260
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:55 PM CET