Connection of thermodynamics, kinetics, mechanics and structure in a model Pt-Pd-metallic glass-forming system

Abstract

Bulk metallic glasses have long been considered a pipe dream in solid state physics, as metallic liquids, when cooled below their liquidus temperature, show an extremely high tendency towards crystallization. To engineer bulk metallic glasses, in-depth metallurgic knowledge was needed to find the correct interplay of sluggish crystallization kinetics, accompanied with slow atomic mobility in the melt and a low thermodynamic driving force to form a crystal. One system that fulfils these criteria is the noble metal based Pd-Cu-Ni-P, as well as its compositionally similar Pt-Cu-Ni-P system. In this work the main thermophysical properties that enable the glass-formation in these systems are evaluated regarding kinetic, dynamic and thermodynamic properties. On the base of this data, high-energy X-rays are utilized to study the microscopic structure and its thermal evolution. The work revealed direct connections between these thermophysical properties and the thermally induced changes of the structure. Further, the connection of different structural units to mechanical and thermodynamic properties is suggested and experimentally underlined contributing to the understanding of the embrittlement mechanism of metallic glasses. Further progress in fundamental research was made in the field of atomic dynamics. We report first experimental evidence of a dynamic slow-down in a metallic liquid at wave-vectors corresponding to a spacing larger than the average interatomic distance.

Metallische Massivgläser wurden in der Festkörperphysik lange Zeit für einen unerfüllbaren Traum gehalten, da Metallschmelzen, wenn sie unter ihre Liquidustemperatur gekühlt werden eine hohe Kristallisationsneigung haben. Um metallische Massivgläser herzustellen ist tiefgehendes metallurgisches Wissen vonnöten, um ein Legierungssystem mit dem richtigen Zusammenspiel aus langsamer Kristallisationskinetik und einer geringen thermodynamischen Triebkraft zur Kristallisation zu finden. Ein System, das dies erfüllt ist das Pt/Pd-Cu-Ni-P-System. Im Rahmen dieser Arbeit werden die wichtigsten thermophysikalischen Charakteristika, die die Glasbildung in diesen Systemen ermöglichen, hinsichtlich kinetischer, dynamischer und thermodynamischer Eigenschaften bewertet. Zwischen diesen thermophysikalischen Eigenschaften wurden direkte Abhängigkeiten zu den thermisch bedingten Veränderungen der vorliegenden Struktur gezeigt. Darüber hinaus wurde ein Zusammenhang von unterschiedlichen Struktureinheiten mit den mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften erarbeitet und experimentell untermauert, was grundlegend zum Verständnis des Versprödungsmechanismus von metallischen Gläsern beiträgt. Weitere Fortschritte in der Grundlagenforschung wurden im Bereich der atomaren Dynamik erzielt. Erstmals wurde eine verlangsamte Dynamik bei Wellenvektoren, welche einem größeren Abstand als dem mittleren interatomaren Abstand entsprechen, in metallischen Flüssigkeit experimentell nachgewiesen.