Effetto della composizione e della storia termica sul comportamento deformativo e sulle connessioni dei cluster in vetri metallici sfusi modello

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17133 (2022) Citare questo articolo

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È stata studiata la dipendenza compositiva e l'influenza dello stato di rilassamento sul comportamento di deformazione di un sistema modello di vetri metallici sfusi basato su Pt-Pd, in cui il platino è sistematicamente sostituito da atomi di palladio topologicamente equivalenti. La durezza e il modulo aumentavano con l'aumento del contenuto di Pd e con la ricottura al di sotto della temperatura di transizione vetrosa. Nella nano-indentazione si osserva una diminuzione della sensibilità alla velocità di deformazione e un aumento della lunghezza della dentatura con aumento del contenuto di Pd e rilassamento termico. La compressione micro-pilastro per leghe con diversi rapporti Pt/Pd ha convalidato la maggiore tendenza alla localizzazione del taglio e al comportamento fragile delle leghe ricche di Pd. Sulla base di esperimenti di diffusione totale con radiazione di raggi X di sincrotrone, viene suggerita una correlazione tra l'aumento delle connessioni più rigide dei cluster di 3 atomi e la riduzione della sensibilità alla velocità di deformazione, come misura di duttilità, con il contenuto di Pd e la storia termica.

I vetri metallici sfusi (BMG) sono una classe relativamente nuova di materiali metallici che negli ultimi decenni ha attirato notevole attenzione nelle applicazioni strutturali grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche come elevata resistenza, ampio limite elastico, eccellente irradiazione, usura e resistenza alla corrosione in lo stato vetroso e la capacità di formazione termoplastica nello stato liquido superraffreddato1,2,3,4. Tuttavia, la limitata plasticità a temperatura ambiente in forma sfusa ne ha limitato l’uso diffuso5,6. Senza dislocazioni e bordi di grano, i BMG mostrano un meccanismo di deformazione completamente diverso rispetto alle leghe cristalline convenzionali7. La deformazione plastica nei vetri metallici tende a verificarsi sotto forma di bande di taglio altamente localizzate che, a seconda della modalità di carico, possono provocare guasti catastrofici8,9. Sono stati introdotti diversi approcci per migliorare la plasticità dei BMG attraverso l'alterazione della loro chimica e delle condizioni di lavorazione come la fabbricazione ex-situ e in-situ di compositi a matrice BMG (BMGMC)10, confinamento del rivestimento metallico11, trattamento termico12, radiazione ionica13 e aumento del rapporto di Poisson14. Questi studi miravano a controllare e manipolare i processi di nucleazione e propagazione della banda di taglio. La laminazione a freddo a temperatura ambiente è stata utilizzata per aumentare la plasticità intrinseca dei BMG introducendo disomogeneità microstrutturali, portando alla nucleazione e alla ramificazione delle bande di taglio dopo deformazione15. I compositi BMG a base di Ti con una frazione volumetrica della fase vetrosa compresa tra il 20 e il 70% hanno mostrato una duttilità a trazione di circa il 5%, paragonabile alle tradizionali leghe di titanio policristalline10. In un altro studio, la plasticità dei BMG a base di Zr è stata migliorata con l'aggiunta di quasicristalli nella matrice vetrosa16. Nel caso dei BMG Nd60Al10Ni10Cu20−xFex, gli aggiustamenti compositivi con l'aggiunta di Fe hanno modificato il comportamento di deformazione da flusso plastico disomogeneo a omogeneo17. È stato riportato anche l'effetto della velocità di deformazione e della temperatura sul comportamento deformativo di vari BMG18,19,20,21,22,23,24. Tuttavia, ci sono pochi studi su serie sistematiche di leghe per la formazione del vetro correlate20 e una conoscenza limitata sugli effetti della chimica e della struttura atomica locale sul comportamento deformativo dei BMG. Ciò è fondamentale nella progettazione razionale di nuove classi di BMG con proprietà meccaniche superiori.

La formazione del vetro è spesso limitata a una regione ristretta nello spazio compositivo per i sistemi metallici25. Nel caso dei liquidi a base di Pd-P e Pt-P, l'elevata capacità di formazione del vetro (GFA)26, la somiglianza dei diagrammi di fase27,28 e l'equivalenza topologica di Pt e Pd29,30 li rendono leghe modello per ottenere un serie sistematiche di leghe correlate. Questa idea è ulteriormente supportata dalla loro simile dipendenza dalla temperatura della viscosità di equilibrio (fragilità) nello stato liquido profondamente sottoraffreddato31,32,33,34. Tuttavia, il loro GFA varia di un fattore quattro35,36 e hanno entropie di fusione significativamente diverse, ΔSf31,34,37,38. Il ΔSf maggiore e la capacità termica ascendente più rapida durante il raffreddamento per i liquidi a base di Pt-P si distinguono da quelli dei liquidi a base di Pd-P, indicando diversi processi di ordinamento atomico in seguito al sottoraffreddamento37,38. L'elevato GFA dei liquidi a base di Pd-P ha origine da una forza trainante estremamente bassa per la cristallizzazione, mentre i liquidi a base di Pt-P sono stabilizzati da un'elevata energia interfacciale tra il liquido e il cristallo33,37, che indica differenze strutturali uniche tra i due sistemi.