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Pop-ins and force overshoots in CuZr-based metallic glass under nanoindentation experiments with cyclic loading
Georg Staska
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Christian Rentenberger
DOI
10.25365/thesis.79465
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16884.79702.732158-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Metallische Gläser (MG) sind eine vielversprechende Klasse struktureller Materialien, die einige interessante Eigenschaften besitzen, darunter ein hoher E-Modul, eine hohe Elastizitätsgrenze und hoher Korrosionswiderstand. Ein Nachteil ist ihre begrenzte Duktilität bei Raumtemperatur wegen lokaler Verformung und Erweichung in den Scherbändern. Trotzdem zeigen einige Studien dass Härtung in MG vorkommen kann. Diese Masterarbeit untersucht das Verformungsverhalten, inklusive Härtung, eines Cu45Zr45Al5Ag5 massiven MG unter zyklischen Nanoindentierungsversuchen. Die Probe wurde durch HochdruckTorsion mechanisch deformiert und dadurch strukturell modifiziert (8 GPa, 20 Umdrehungen, Raumtemperatur). Härte und E-Modul der Probe wurden auf einem Querschnitt der Scheibe mit einem standard Nanoindentierungs-Protokoll (ISO 14577) gemessen um einen Überblick ihrer lokalen mechanischen Eigenschaften zu bekommen. Nanoindentierungsversuche mit zyklischer Belastung, Entlastung und Wiederbelastung um bestimmte Referenzkräfte, wurden durchgeführt um zwei Phänomene die während solchen Experimenten auftreten besser zu verstehen: Pop-Ins und Force Overshoots. Die Referenzkräfte für diese Arbeit waren Vielfache von 5 mN bis zu einer maximalen Belastung von 50 mN, die Größen der Entlastung 1 mN, 2 mN, 5 mN and 10 mN, w¨ahrend als Belastungs- und Entlastungsraten 1 mN=s und 0:1 mN=s verwendet wurden. Messungen mit den selben Parametern wurden in einer \weichen" und \harten" Region der Probe durchgeführt. Die Daten die durch diese Experimente gewonnen wurden, wurden mithilfe verschiedener Python Skripte verarbeitet und visualisiert. Diese Skripte waren zum Teil selbst programmiert und zum Teil vom Betreuer zur Verfügung gestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Resultate bezüglich Pop-Ins und Force Overshoots unabhängig von der Temperaturdrift-Korrektur, welche den Verlauf der Kurve maßgeblich ändern kann, sind. Die Ergebnisse zu Pop-Ins und Force Overshoots können wie folgt zusammengefasst werden: Die Belastungsrate beeinflusst die Last beim ersten Pop-In entsprechend der kumulativen Häufigkeitsverteilungen. Eine erhöhte Belastungsrate verschiebt die Verteilung zu höheren Kraftwerten, ein Indiz dass die Initiation der plastischen Verformung durch Scherbänder schwieriger wird. Hohe Belastungsraten erzeugen weniger, größere Pop-ins als niedrige Belastungsraten. Die Entlastungsrate hat den umgekehrten Einfluss, mit wenigeren, größeren Pop-Ins für kleine Entlastungsraten. Für verschiedene Kombinationen aus Entlastungsrate und Entlastungsgröße, die zu derselben Entlastungsdauer führen (z.B. 1mN @ 0:1mN=s = 10s = 10mN @ 1mN=s), verursacht die größere Entlastung mehr und größere Pop-Ins. Vergleicht man verschiedene Belastungssegmente, hängt eine höhere maximale Belastung mit einer größeren Zahl an Pop-Ins zusammen, während sich die durchschnittliche Größe der Pop-Ins verringert, aber die maximale Pop-In Größe ansteigt. Die lokale Beschaffenheit der Probe beeinflusst die Größe und Anzahl der Pop-Ins auf eine komplexe Art. Die Kräfte bei denen erste Pop-Ins und Force Overshoots auftreten scheinen nicht miteinander zusammenzuhängen. Größere Force Overshoots werden durch größere Entlastung, höhere Maximalbelastung, schnelle Belastung und langsame Entlastung bedingt, während der Einfluss der lokalen Härte vernachlässigbar erscheint. Die relative Härtung, welche durch Entlasten verursacht wird, kann aus dem Force Overshoot berechnet werden und scheint einer Potenzfunktion der Referenzkraft zu folgen. Der Grad der Härtung steigt mit der Entlastungsdauer und der berechneten Verformungsrate beim Wiederbelasten.
Abstract
(Englisch)
Metallic glasses (MG) are a promising class of structural materials, exhibiting a range of interesting properties, including high Young’s modulus, high elastic limit and resistance to corrosion. One drawback is their limited ductility at room temperature due to strain localization and softening in shear bands. Nevertheless, a few studies show that hardening can also occur in MGs. This master’s thesis investigates the deformation behavior, including hardening, of a Cu45Zr45Al5Ag5 bulk MG under cyclic nanoindentation conditions. The sample was structurally modified by mechanical deformation using high pressure torsion (8 GPa, 20 turns at room temperature). Hardness and Young’s modulus of the sample were measured on the cross-section of the disc with a standard nanoindentation protocol (ISO 14577) to map its local mechanical properties. Nanoindentation experiments with cyclic loading, meaning unloading and reloading with reference to certain forces, were performed to gain insight into two phenomena occurring in such experiments: pop-ins and force overshoots. For this study the reference forces for unloading were multiples of 5 mN up to a final load of 50 mN, the unloading sizes were 1 mN, 2 mN, 5 mN and 10 mN, while the loading and unloading rates were either 1 mN=s or 0:1 mN=s. Measurements with the same parameters were also conducted both in a \softer" and \harder" region of the sample. The data recorded during all these experiments was then processed and visualized using a variety of Python scripts, partially self-coded and partially provided by the supervisor. It could be demonstrated that the results concerning pop-ins and force overshoots are independent of thermal drift corrections, which can alter the nanoindentation curve considerably. The outcomes regarding pop-ins and force overshoots can be summarized as follows: Loading rate influences the load at first pop-in as indicated by cumulative frequency distributions. An increase in the loading rate leads to a shift of the distribution to higher loads, indicating that the initiation of plastic deformation by shear banding becomes more difficult. High loading rates produce fewer, larger pop-ins than low loading rates. The unloading rate shows the reverse effect with fewer, larger pop-ins for the low unloading rate. For different unloading rate and unloading amount combinations resulting in the same duration of unloading (e.g. 1mN @ 0:1mN=s = 10s = 10mN @ 1mN=s), the larger unloading amount produces both more and larger pop-ins. Comparing different loading segments, a higher maximum load is related to a higher number of pop-ins, while the average pop-in size decreases and the maximum size increases. Local sample hardness influences both pop-in count and size in a complex manner. The forces at which first pop-ins and force overshoots occur do not seem to be correlated. Larger force overshoots are related to larger unloading size, larger maximum load, fast loading and slow unloading, while the influence of local hardness is mostly negligible. The relative hardening due to unloading, which can be computed from the force overshoot, seems to follow a power function of the reference force. The degree of hardening increases with the duration of unloading and the calculated strain-rate for reloading.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nanoindentierung Metallisches Glas Zyklische Belastung CuZr Härtung
Schlagwörter
(Englisch)
Nanoindentation Metallic Glass Cyclic Loading CuZr Härtung
Autor*innen
Georg Staska
Haupttitel (Englisch)
Pop-ins and force overshoots in CuZr-based metallic glass under nanoindentation experiments with cyclic loading
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
94 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christian Rentenberger
Klassifikationen
33 Physik > 33.66 Amorpher Zustand. Gläser ,
33 Physik > 33.79 Kondensierte Materie. Sonstiges
AC Nummer
AC17671311
Utheses ID
77693
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |