[논문 리뷰] What renders bulk metallic glass ductile/brittle? -- new insight from the medium-range order

Farnaz A. Davani, Sven Hilke외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 03.

Metallic Glasses and Amorphous Alloys참고 문헌 63인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 덩어리 금속 유리(BMGs)의 연성은 이중성 중거리 순서(MRO) 구조에서 기인하며, 이는 연성 있는 Pd40Ni40P20에서 더 큰 두 번째 MRO 상관 길이가 더 큰 격자 변형 영역(STZs)을 가능하게 하여 구조적 이질성을 증가시키고, 더 쉽게 비틀림 고리 형성을 유도하기 때문이다. 반면 연성 없는 Zr 기반 Vit105는 이러한 두 번째 MRO 길이를 갖지 않아 더 작은, 덜 이질적인 STZs와 연성 없는 거동를 보인다. Pd40Ni40P20에 존재하는 인은 공유 결합과 구조 모티프의 다양성을 촉진하여 연성에 결정적인 역할을 하는 확장된 MRO 네트워크를 뒷받침한다.

ABSTRACT

Understanding ductility or brittleness of monolithic bulk metallic glasses (BMGs) requires detailed knowledge of the amorphous structure. The medium range order (MRO) of ductile Pd$_{40}$Ni$_{40}$P$_{20}$ and brittle Zr$_{52.5}$Cu$_{17.9}$Ni$_{14.6}$Al$_{10}$Ti$_5$ (Vit105) was characterized prior to and after notched 3-point bending tests using variable-resolution fuctuation electron microscopy. Here we show the presence of a second larger MRO correlation length in the ductile material which is not present in the brittle material. A comparison with literature suggests that the larger correlation length accounts for larger shear transformation zones (STZs) which increase the heterogeneity. This enables an easier shear band formation and thus explains the difference in deformability.

연구 동기 및 목표

• 다양한 원자 척도에서 연성과 취성 거동를 보이는 덩어리 금속 유리(BMGs)의 기원을 이해하기 위해.
• 연성 있는 Pd40Ni40P20과 취성 있는 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5(Vit105)를 비교함으로써 중거리 순서(MRO)가 연성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• MRO 상관 길이와 격자 변형 영역(STZ) 크기 및 변형 거동 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 화학 조성, 특히 인의 존재가 구조적 이질성과 연성에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• 변동 해상도 변동 전자 현미경(VR-FEM)을 사용하여, 조형된 상태와 변형된 BMG 시료의 중거리 순서(MRO)를 탐사하였다.
• 다양한 공명 조사 크기(0.8–8.5 nm FWHM)를 가진 나노빔 회절 패턴(NBDPs)을 확보하여 산란 강도의 공간 해상도가 높은 분산을 추출하였다.
• MRO 상관 길이를 정량화하기 위해 산란 벡터 k와 조사 해상도 R에 따라 정규화된 분산 V(k,R)를 계산하였다.
• Q = 0.61/R를 사용하여 Q²/V(k,R) 대 Q²의 선형 회귀를 적용함으로써, 절편과 기울기를 이용해 MRO 상관 길이 Λ를 추출하였으며, 수정된 쌍지속성 분석 모델을 활용하였다.
• 미세 구조적 MRO 부피와 문헌에서의 매크로스코픽 STZ 부피를 조율하기 위해 레버 룰을 사용하여 MRO 부피율을 추정하였다.
• 보조적인 구조적 및 두께 특성 분석을 위해 고각도 원형 어두운 영역 STEM(HAADF-STEM)과 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중거리 순서(MRO)에서 연성과 취성의 BMG를 구분하는 구조적 특징은 무엇인가?
• RQ2 더 큰 두 번째 MRO 상관 길이의 존재가 격자 변형 영역(STZ) 크기와 연성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 Pd40Ni40P20에 존재하는 인이 공유 결합과 모티프 다양성을 통해 구조적 이질성과 향상된 연성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 왜 매크로스코픽 STZ 부피(예: Pd40Ni40P20에서 6.5 nm³)와 미세 구조적 MRO 부피 추정치 사이에 차이가 나는가, 그리고 이를 어떻게 조율할 수 있는가?
• RQ5 변형은 연성 있는 및 취성 있는 BMG의 MRO 구조에 어떻게 영향을 미치며, MRO 상관 길이 분포를 변화시키는가?

주요 결과

• 연성 있는 Pd40Ni40P20 BMG는 두 개의 구분되는 MRO 상관 길이를 보이며, d1 = 1.2 ± 0.2 nm (V1 = 0.90 ± 0.31 nm³) 및 d2 = 3.50 ± 0.60 nm (V2 = 22.5 ± 7.7 nm³)이다. 반면 취성 있는 Vit105는 하나의 MRO 길지만, d1 = 1.0 ± 0.2 nm (V1 = 0.52 ± 0.21 nm³)이다.
• Pd40Ni40P20에서 더 큰 MRO 상관 길이는 더 큰 STZs를 초래하며, 이는 구조적 이질성을 증가시키고 비틀림 고리 형성을 더 쉽게 유도함으로써 연성의 기초를 제공한다.
• Pd40Ni40P20에서 더 큰 MRO 네트워크의 MRO 부피율(Φ2)은 0.26로 추정되며, 매크로스코픽 STZ 부피 6.5 nm³에 기여하여 미세 및 매크로스코픽 STZ 측정치 간의 조율을 가능하게 한다.
• 변형은 Vit105에서 더 작은 MRO 상관 길이를 1.0 ± 0.2 nm에서 1.5 ± 0.3 nm로 증가시켜, 더 이질적인 상태로의 구조적 진화를 시사하지만, 이는 여전히 연성을 유도하기에는 충분하지 않다.
• Pd40Ni40P20에 존재하는 인은 공유 결합을 가능하게 하고, 삼면체 삼각기둥 및 비틀린 이코사체 같은 다양한 구조 모티프의 형성을 촉진하여 확장되고 이질적인 MRO 네트워크의 형성에 기여한다.
• Pd40Ni40P20의 구조적 이질성은 첫 번째 순서의 상전이가 아니라, 구분 가능한 MRO 네트워크를 포함하는 다형성의 한 형태로 가장 잘 이해된다.