Relaxation processes in Cu-Zr metallic glasses by molecular dynamics simulations

Abstract

We present Molecular Dynamics simulations results referring to relaxation processes, occurring in Cu₆₅Zr₃₅ computer glass at the quiescent state, during tensile solicitation, as well as the stress releasing effect that takes place when this material is under constant strain. The study comprises a thorough analysis of the thermodynamics, structural and dynamical properties of this system. We found a rattling mode of atomic motions that takes place in highly localized regions characterized by their high mobility and low local density and composed mostly by loosely packed clusters of atoms. The rattling mode has a frequency that is essentially independent from both temperature and applied strain. However, the regions where the rattling atoms are localized, and thus the fractions of atoms undergoing rattling, increase with temperature and applied strain. It is argued that the rattling motions constitute the ‘fast processes’ that lie between the β relaxation and the Boson peak in the characteristic spectrum of dynamic modes in glasses. In addition, we found that our glass exhibited a characteristic endothermic response upon straining, which has not been reported before. The study of this response and its evolution upon straining indicates the presence of aging and rejuvenation processes and delimits the different stages at which each one of these processes is dominant in our glass. It is concluded that the fast processes are precursors of the β relaxation mode, and could be considered as predictors of the spatial origin of the shear transformation zones, governing the onset of plastic flow. Furthermore, during the stress relaxation process occurring when the glass is subjected to a fixed strain, the location of the rattling atoms coincides with the heterogeneous regions where most of the stress and energy of the system is being released, thus they act as the stress mediators of the metallic glasses. These results could be useful for the understanding of the complex relaxation spectrum of the metallic glasses and provide a better insight of the intricate relaxation dynamics that characterizes these materials, especially at the higher frequency region. Moreover, the results presented here have important consequences in the macroscopic properties of metallic glasses, like ductility, brittleness and toughness fracture. It turns out, therefore, that understanding the structural and dynamical behaviour of the MGs during these relaxation processes is crucial for eventual control and improvement of their properties.

Παρουσιάζουμε αποτελέσματα προσομοιώσεων Μοριακής Δυναμικής σχετικά με τις διαδικασίες εφησυχασμών που συμβαίνουν στη Μεταλλική Ύαλο Cu₆₅Zr₃₅ σε κατάσταση ηρεμίας, κατά τη διάρκεια της εφελκυστικής τάσης, καθώς και την απελευθέρωση τάσης που λαμβάνει χώρα όταν το υλικό αυτό είναι υπό σταθερή πίεση. Η μελέτη περιλαμβάνει μια διεξοδική ανάλυση των θερμοδυναμικών, δομικών και δυναμικών ιδιοτήτων αυτού του συστήματος. Βρήκαμε έναν δονητικό τρόπο των ατομικών κινήσεων που λαμβάνει χώρα σε ιδιαίτερα τοπικές περιοχές που χαρακτηρίζονται από την υψηλή τους κινητικότητα και τη χαμηλή τοπική πυκνότητα και αποτελούνται κυρίως από χαλαρά συσσωρευμένες ομάδες ατόμων. Ο δονητικός αυτός τρόπος έχει μια συχνότητα που ουσιαστικά είναι ανεξάρτητη τόσο από τη θερμοκρασία όσο και από την εφαρμοζόμενη ένταση. Ωστόσο, οι περιοχές όπου εντοπίζονται τα ταλαντευόμενα άτομα αυξάνονται με τη θερμοκρασία και την εφαρμοζόμενη ένταση. Υποστηρίζεται ότι οι κινήσεις αυτές αποτελούν τις «γρήγορες διαδικασίες» που βρίσκονται μεταξύ της χαλάρωσης β και της κορυφής του Boson στο χαρακτηριστικό φάσμα των δυναμικών τρόπων λειτουργίας στα γυαλιά. Επιπλέον, διαπιστώσαμε ότι η ύαλος αυτή παρουσίασε μια χαρακτηριστική ενδοθερμική απόκριση κατά τον εφελκυσμό η οποία δεν έχει αναφερθεί προηγουμένως. Η μελέτη αυτής της απόκρισης και η εξέλιξή της κατά τη διέγερση δείχνει την παρουσία διαδικασιών γήρανσης και αναζωογόνησης και οριοθετεί τα διαφορετικά στάδια στα οποία κυριαρχεί η καθεμία από αυτές τις διεργασίες στο γυαλί μας. Συμπεραίνεται ότι οι γρήγορες διεργασίες είναι πρόδρομοι του τρόπου β και θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως παράγοντες πρόβλεψης της χωρικής προέλευσης των ζωνών μετασχηματισμού διάτμησης που διέπουν την έναρξη της πλαστικής ροής. Περαιτέρω, κατά την διάρκεια της διαδικασίας χαλάρωσης του στρες που συμβαίνει όταν το γυαλί υποβάλλεται σε σταθερή τάση, η θέση των ταλαντευόμενων ατόμων συμπίπτει με τις ετερογενείς περιοχές όπου απελευθερώνεται το μεγαλύτερο μέρος του στρες και της ενέργειας του συστήματος και επομένως δρουν ως διαμεσολαβητές στρες των μεταλλικών γυαλιών. Αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα για την κατανόηση του σύνθετου φάσματος χαλάρωσης των μεταλλικών γυαλιών και να παρέχουν μια καλύτερη εικόνα της περίπλοκης δυναμικής χαλάρωσης που χαρακτηρίζει αυτά τα υλικά, ειδικά στην περιοχή υψηλότερων συχνοτήτων. Επιπλέον, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ έχουν σημαντικές συνέπειες στις μακροσκοπικές ιδιότητες των μεταλλικών γυαλιών, όπως η ολκιμότητα, η ευθραυστότητα και το κάταγμα της σκληρότητας. Αποδεικνύεται λοιπόν ότι η κατανόηση της δομικής και δυναμικής συμπεριφοράς των MG κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών χαλάρωσης είναι ζωτικής σημασίας για τον ενδεχόμενο έλεγχο και βελτίωση των ιδιοτήτων τους.