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Structure and Dynamics of Molecular-Dynamics Simulated Undercooled Ni-Zr-Al Melts

Molekulardynamik Simulationen zur Struktur und Dynamik in unterkühlten Ni-Zr-Al-Legierungsschmelzen

by Mohammed Guerdane
Doctoral thesis
Date of Examination:2000-11-01
Date of issue:2001-08-30
Advisor:Prof. Dr. Helmar Teichler
Referee:Prof. Dr. Konrad Samwer
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3373

 

 

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Name:guerdane.pdf
Size:1.32Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

Molecular dynamics (MD) simulations are used in this work to model the massive-metallic-glass forming Ni25Zr60Al15 alloy. The applied atomic interaction model predicts radial distribution functions for the glass that fit well to the experimental data. Analysis of the thermodynamics shows that the caloric glass-transition (GT) temperature Tg is shifted to lower temperatures by alloying Al to Ni-Zr alloy. This effect is attributed to the larger mixing tendency of the Zr-Ni subsystem compared with the Zr-Al one. Analysis of bond angle distribution and nearest-neighbor numbers reveals two types of short range order in the system, related to the environment of Al- and of Ni-atoms. While Ni-atoms have a trigonal prismatic neighbor shell under avoidance of direct Ni-Ni contacts, the Al-atoms show an icosahedral surrounding with a tendency to form short segments of Al chains. It is the particular feature of the ternary alloy that its structure has to simultaneously accomodate both types of ordering. Even at high temperatures, the local order leads to prepeaks in the Ni- and Al-structure factors. Analysis of the van Hove correlation functions shows that the onset of the hopping processes actually takes place in a temperature range well above the kinetic GT temperature Tc. In this temperature range, the transport mechanism seems to change from a flow-like motion to a hopping-like one. The pronounced peak at the origin in the van Hove distinct correlation function gives evidence of the highly correlated nature of these hopping processes. This feature results from the existence of a well defined chemical and topological ordering in the system and primarily concerns the Ni and Al atoms. For Zr atoms, the flow-like motion is the dominant transport mode even in the region of the kinetic GT and below. The onset of the hopping processes seems to be related to decoupling effects observed in the same temperature range: e.g. decoupling of the diffusivity and viscosity (or the breakdown of the Einstein-Stokes relation). This decoupling is attributed to the existence of a spatial heterogenity in the distribution of the local relaxation times.
Keywords: bulk amorphous alloys; glass transition; medium range order; diffusion; viscosity; Einstein-Stokes relation; heterogeneities.

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In dieser Arbeit werden Molekulardynamik (MD) Simulationen benutzt, um das ternäre massivglasbildende Ni25Zr60Al15 zu modellieren. Die berechneten radialen Verteilungsfunktionen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten und belegen, daß das Modell die sterischen Bedingungen des ternären Legierungssystems gut erfasst. Die thermodynamische Analyse zeigt eine Verschiebung der kalorischen Glastemperatur Tg zu tieferen Temperaturen beim Zulegieren von Al ins binäre Ni-Zr System, was auf die stärkere Mischungstendenz im Ni-Zr im Gegensatz zum Zr-Al Subsystem zurückzuführen ist. MD Simulationen für Ni25Zr60Al15 zeigen im Vergleich zu den binären Ni1-xZrx-Systemen auffällige Abweichungen, sichtbar z.B. in der "medium range" Struktur, die sich in den partiellen Strukturfaktoren als "pre-peaks" äußert. Es liegt eine lokale Ordnungsstruktur vor, die -nach Nachbarzahlen- und Bindungswinkelanalyse- bei Ni aus trigonalen Prismen, bei Al aus ikosaedrischen Umgebungen besteht, unter weitgehender Vermeidung direkter Ni-Ni-Nachbarn und Ausbildung einer Al-Al-Kettenstruktur. Die Analyse der van-Hove-Funktionen zeigt, daß der Übergang vom viskosen Fließen zu Hopping-Prozessen bereits deutlich oberhalb der kinetischen Glastemperatur (GT) Tc einsetzt. Die Fremdteile der partiellen van-Hove-Korrelationsfunktionen weisen auf die korrelierte Natur dieser Hopping-Prozesse in dem Sinne hin, daß Ni-Plätze (Al-Plätze) präferentiell wieder von nachfolgenden Ni-Atomen (Al-Atomen) besetzt werden, was zur Erhaltung der "medium range" Ordnung der Struktur führt. Die Einstein-Stokes Relation bricht in dem temperaturbereich zusammen, wo die Hopping-Prozesse einsetzen. Dies hängt mit dem Übergang von homogener zu heterogener Diffusion zusammen.
Schlagwörter: Massive Gläser; Glasübergang
 

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