Efeito da composição e histórico térmico no comportamento de deformação e conexões de aglomerados em modelos de vidros metálicos a granel

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17133 (2022) Citar este artigo

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A dependência composicional e a influência do estado de relaxação no comportamento de deformação de um sistema modelo de vidro metálico a granel baseado em Pt-Pd foi investigada, onde a platina é sistematicamente substituída por átomos de paládio topologicamente equivalentes. A dureza e o módulo aumentaram com o aumento do teor de Pd, bem como pelo recozimento abaixo da temperatura de transição vítrea. A diminuição da sensibilidade à taxa de deformação e o aumento do comprimento da serrilha são observados na nanoindentação com o aumento do teor de Pd, bem como o relaxamento térmico. A compressão por micropilar para ligas com diferentes relações Pt/Pd validou a maior tendência para localização de cisalhamento e comportamento frágil das ligas ricas em Pd. Com base em experimentos de espalhamento total com radiação de raios-X síncrotron, sugere-se uma correlação entre o aumento de conexões de cluster de 3 átomos mais rígidas e a redução da sensibilidade à taxa de deformação, como medida de ductilidade, com o teor de Pd e a história térmica.

Os vidros metálicos a granel (BMGs) são uma classe relativamente nova de materiais metálicos que têm atraído atenção considerável em aplicações estruturais nas últimas décadas devido às suas excelentes propriedades mecânicas, como alta resistência, grande limite elástico, excelente irradiação, desgaste e resistência à corrosão em o estado vítreo e capacidade de formação termoplástica no estado líquido super-resfriado1,2,3,4. No entanto, a plasticidade limitada à temperatura ambiente na forma a granel restringiu seu uso generalizado5,6. Sem deslocamentos e contornos de grão, os BMGs apresentam um mecanismo de deformação completamente diferente em comparação com as ligas cristalinas convencionais7. A deformação plástica em vidros metálicos tende a ocorrer na forma de bandas de cisalhamento altamente localizadas, que, dependendo do modo de carregamento, podem resultar em falha catastrófica8,9. Várias abordagens diferentes foram introduzidas para melhorar a plasticidade dos BMGs através da alteração de suas condições químicas e de processamento, como fabricação ex-situ e in-situ de compósitos de matriz BMG (BMGMCs)10, confinamento de revestimento de metal11, tratamento térmico12, radiação iônica13 e aumento do coeficiente de Poisson14. Esses estudos visaram controlar e manipular os processos de nucleação e propagação de bandas de cisalhamento. A laminação a frio à temperatura ambiente tem sido utilizada para aumentar a plasticidade intrínseca dos BMGs pela introdução de heterogeneidades microestruturais, levando à nucleação e ramificação de bandas de cisalhamento após a deformação15. Os compósitos BMG à base de Ti com fração de volume da fase vítrea na faixa de 20 a 70% exibiram ~ 5% de ductilidade à tração, comparável às ligas convencionais de titânio policristalino10. Em outro estudo, a plasticidade de BMGs à base de Zr foi melhorada com a adição de quasicristais na matriz vítrea16. No caso de BMGs Nd60Al10Ni10Cu20−xFex, ajustes composicionais com a adição de Fe mudaram o comportamento da deformação de não homogêneo para homogêneo escoamento plástico17. O efeito da taxa de deformação e temperatura no comportamento de deformação de vários BMGs também foi relatado18,19,20,21,22,23,24. No entanto, existem poucos estudos sobre séries sistemáticas de ligas formadoras de vidro inter-relacionadas20 e compreensão limitada sobre o efeito da química e da estrutura atômica local no comportamento de deformação de BMGs. Isso é crítico no projeto racional de novas classes de BMGs com propriedades mecânicas superiores.

A formação de vidro é muitas vezes limitada a uma região estreita no espaço de composição para sistemas metálicos25. No caso de líquidos à base de Pd-P e Pt-P, a alta capacidade de formação de vidro (GFA)26, a semelhança dos diagramas de fase27,28 e a equivalência topológica de Pt e Pd29,30 os tornam ligas modelo para a obtenção de um série sistemática de ligas inter-relacionadas. Essa ideia é ainda apoiada por sua dependência de temperatura semelhante da viscosidade de equilíbrio (fragilidade) no estado líquido profundamente super-resfriado31,32,33,34. No entanto, seu GFA varia por um fator de quatro35,36 e eles têm entropias de fusão significativamente diferentes, ΔSf31,34,37,38. O maior ΔSf e a capacidade térmica ascendente mais rápida no resfriamento para os líquidos à base de Pt-P se destacam dos líquidos à base de Pd-P, indicando diferentes processos de ordenação atômica no subresfriamento37,38. O alto GFA de líquidos à base de Pd-P se origina de uma força motriz extremamente baixa para a cristalização, enquanto os líquidos à base de Pt-P são estabilizados por uma alta energia interfacial entre o líquido e o cristal33,37, o que aponta para diferenças estruturais únicas entre os dois sistemas.