In den letzten Jahren belegt eine stark ansteigende Anzahl experimenteller und theoretischer Resultate das große Interesse an Volumenmaterialien mit elektronischer, struktureller und/oder chemischer Heterogenität auf der Skala von 0,5 bis 2 nm. Solche Clustermaterialien lassen hervorragende Eigenschaften erwarten, wenn vorteilhafte strukturelle oder elektronische Konfigurationen kombiniert werden können. Ein interessanter neuer Ansatz zur Erzeugung von Heterogenitäten in metallischen Gläsern sind zusätzliche Legierungselemente mit positiven Mischungsenthalpien zwischen mindestens zwei der Komponenten. Die abstoßende Wechselwirkung zwischen zwei Hauptkomponenten kann zu einer Mischungslücke in der Schmelze und sogar zur Bildung phasenseparierter metallischer Gläser führen. Diese Gläser bestehen aus Volumenanteilen mit amorpher Struktur, aber unterschiedlicher Zusammensetzung. Es wurde bereits gezeigt, dass in massiven metallischen Gläsern in einigen Fällen eine verbesserte Plastizität und sogar eine erhöhte Glasbildungsfähigkeit erreicht werden kann, falls ein geringer Massenanteil eines Legierungselements mit positiver Mischungsenthalpie zugegeben wird. In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung von Clustermaterialien von Legierungen mit metallischer Glasbildungsfähigkeit und deren Eigenschaften untersucht. In Levitationsexperimenten wurde zunächst die Phasenseparation in unterkühlten Schmelzen der binären Systeme mit positiver Mischungsenthalpie Gd-Ti und Gd-Zr in einer elektromagnetischen Levitationsanlage experimentell aufgeklärt. Wenn Schmelzen unter die Binodale unterkühlt werden, entmischen sie in Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Aus den signifikanten Unterschieden der Gefüge von Proben, die von einem Zustand innerhalb bzw. außerhalb der Mischungslücke auf einem Kupfersubstrat abgeschreckt wurden, konnte die Form der Mischungslücke in der Gd-Ti Schmelze als Funktion der Temperatur und der Konzentration bestimmt werden. Diese erstreckt sich von 10 bis 80 At.% Gadolinium und ist wesentlich ausgedehnter als bisher vermutet. Ihre kritische Temperatur 1580 ◦C liegt bei der Zusammensetzung Gd20 Ti80. Im Gegensatz zu Gd-Ti konnte für Gd-Zr Schmelzen wegen der geringeren positiven Mischungsenthalpie keine stabile Mischungslücke gefunden werden. Jedoch deutet die simultane dendritische Kristallisation der Primärphasen Gadolinium und Zirkonium in bis zu 100 K unterkühlten Proben auf die Existenz einer metastabilen Mischungslücke unterhalb der eutektischen Temperatur hin. Eine durch CAL- PHAD Rechnungen vorhergesagte Mischungslücke in der Schmelze des quaternären Systems Gd-Ti-Cu-Al, für das dünne Bänder phasenseparierter Gläser mit dem Schmelzspinnverfahren hergestellt wurden, konnte nicht bestätigt werden. Die mit der elektromagnetischen Levitationsanlage erreichte minimale Abschrecktemperatur (920◦C) läßt aber keine endgültige Aussage zu. Ein weiteres Ziel der Arbeit ist es, die Wirkung geringer Anteile der Elemente Gadolinium, Kobalt und Rhenium auf eine Cu-Zr-Al Legierung mit guter Glasbildungsfähigkeit zu ermitteln. Die genannten Elemente zeichnen sich durch positive Mischungsenthalpie sowie Mischungslücken in Schmelzen mit unterschiedlichen Hauptkomponenten der binären Randsysteme Gd-Zr, Cu-Co bzw. Cu-Re der Basislegierung aus. Die Wirkung dieser Mikrolegierungselemente auf Glasbildungsfähigkeit, Struktur, thermische Stabilität und mechanische Eigenschaften erwiesen sich als abhängig vom Mikrolegierungselement, seiner Konzentration und den Abkühlbedingungen. Massive metallische Gläser mit Durchmessern 2 bis 6 mm der Zusammensetzung (Cu46Zr46Al8)100−xZx (x=0−4) konnten für Z=Gd, Co mit dem Spritzgießverfahren hergestellt werden. Dabei erhöht sich die Glasbildungsfähigkeit für geringe Gd-Beimischungen sogar bis 2 At.%, während sie für Kobalt nur leicht reduziert wird. In Abhängigkeit von x verringern sowohl Gadolinium als auch Kobalt die Kristallisationstemperatur der Cu46Zr46Al8 Basislegierung um bis zu 25 K, während die Glasbildungstemperatur Tg nahezu unverändert bleibt. Legieren mit optimalen Gehalten von Gadolinium und Kobalt bis zu 2 At.% führt zu einer plastischen Verformbarkeit im Vergleich zum spröden Verhalten des massiven metallischen Glases Cu46Zr46Al8. Im Druckversuch wurden z.B. Bruchdehnungen bis εf = 4% in (Cu46Zr46Al8)98Co2- bzw. (Cu46Zr46Al8)98Gd2-Proben mit 3mm Durchmesser erreicht. Die maximale Druckfestigkeit und der Elastizitätsmodul bleiben gegenüber der Basislegierung nahezu unverändert. Weite Gebiete der Bruchflächen solcher mikrolegierter Gläser zeigen die Abwesenheit von Scherbändern, was ein Zeichen für eine inhomogene Verformung ist und zum Versagen der Proben führt. Selbst geringe Zugaben von Rhenium (1 At.%) setzen die Glasbildungsfähigkeit drastisch herab. Es konnten nur amorphe Folien von ca. 40 μm Dicke durch Splat- Quenching hergestellt werden, obwohl sich die Kristallisationstemperatur für (Cu46Zr46Al8)98Re2 etwas erhöht. Gegossene massive Proben besitzen ein kristallines Gefüge bestehend aus Primärdendriten der intermetallischen Verbindung B2-CuZr und der kubischen Phase CuZrAl als Hauptbestandteile. Kleine Teilchen einer Rereichen Phase sind unregelmäßig in der Probe verteilt. Diese werden beim Erstarrungsprozess zuerst ausgeschieden und triggern offensichtlich die Kristallisation der B2-CuZr Phase, wie Gefügebilder beweisen. Die massiven Gussproben besitzen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, hohe Festigkeit verbunden mit plastischer Dehnung bis 4 % und einen ausgedehnten Bereich der Kaltverfestigung bei reduzierter Streckgrenze gegenüber den metallischen Gläsern. Diese Eigenschaften werden durch den hohen Volumenanteil der B2-CuZr Phase bestimmt. Das Mikrolegieren mit Elementen positiver Mischungsenthalpie sowie die gezielte Keimbildung stabiler bzw. metastabiler kristalliner Phasen durch Ausscheidungen in der Schmelze, die in dieser Arbeit verfolgt wurden, sind aussichtsreiche Konzepte zur Optimierung mechanischer Eigenschaften von Materialien auf der Basis von massiven metallischen Gla ̈sern. Die Bildung nanokristalliner Clusterstrukturen und der Mechanismus der Verbesserung der plastischen Verformbarkeit bedürfen zukünftig vertiefter wissenschaftlicher Untersuchungen.

Effect of electrochemical absorption of hydrogen has been studied on the Zr-based amorphous alloys. The influence of hydrogen absorption on the stability of the amorphous phase and its crystallisation was investigated. Additionally, the cathodic hydrogen reaction mechanism on the surface of the alloy, the reversibility of the absorbed hydrogen and the hydrogen diffusion in the alloy were studied. These alloys are able to absorb large amounts of hydrogen (>1:1 hydrogen to metal ratio) but a rearrangement of the amorphous matrix takes place so that Cu rich areas are detected on the surface and Zr-hydride may precipitate. The thermal stability and crystallisation behaviour depends on the hydrogen concentration in the alloy. At low hydrogen concentration, the thermal stability deteriorates and primary crystallisation of Cu and/or Cu-rich phases is observed. At high hydrogen concentration, primary crystallisation of Zr-hydride takes place. The cathodic polarisation behaviour of amorphous Zr-based alloys as derived from Tafel plots reveals three characteristic potential regions reflecting the different mechanisms of hydrogen on the surface. In the Tafel region, hydrogen discharge and adsorption takes place on the alloy surface as fast steps reactions followed by the rate determining electrodic desorption reaction step in competition with hydrogen absorption as a fast step. In the further negative potential region, the current density is independent on the potential as both the Volmer and the Heyrowsky reactions take place at the same rate and the hydrogen mass transfer from the solution to the electrode surface is the rate-determining step. In the high polarisation region, all the partial hydrogen reactions take place intensively. The reversibility of the absorbed hydrogen tests reflects the possibility of hydrogen desorption from different energy sites in the amorphous alloy. The diffusion of hydrogen in the Zr-based alloys is comparable with that in the crystalline Pd and it is reduced in the pre-hydrogenated samples.

Bulk metallic glasses represent a newly developed class of materials. Some metallic glasses possess combinations of very good or even excellent mechanical, chemical and/or magnetic properties uncovering a broad range of both industrial and vital applications. Besides all advantages metallic glasses have also significant drawbacks, which have to be overcome for commercial application. Apart from low critical thicknesses, brittleness and chemical inhomogeneity one important problem of metallic glasses is the lack of an appropriate theory describing their structure. Therefore, the search for new glass forming compositions as well as the improving of existing ones occurs at present by means of trial-and-error methods and a number of empirical rules. Empirical rules for good glass-forming ability of bulk metallic glasses have been established in recent years by Inoue and Egami. Two of these rules, (i) Preference of more than 3 elements and (ii) Need of more than 12 % radii difference of base elements, seem to be closely related to topological (geometrical) criteria. From this point of view topological parameters contribute essentially to the glass-forming ability. The third rule (iii) demands a negative mixing enthalpy of base elements and refers to the chemical interaction of the atoms. The generalized Bernal’s model (hard-sphere approximation) was used for the simulation of monatomic, binary and multi-component structures. Excluding chemical interaction, this method allows the investigation of topological criteria of the glass-forming ability. Bernal’s hard-sphere model was shown to be a good approximation for bulk metallic glasses and metallic liquids and yields good coincidence of experimental and theoretical results. • The Laguerre (weighted Voronoi) tessellation technique was used as the main tool for the structural analysis. Due to very complex structures it is impossible to determine the structure of bulk metallic glasses by means of standard crystallographic methods. • Density, radial distribution function, coordination number and Laguerre polyhedra analysis confirm amorphism of the simulated structures and are in a good agreement with available experimental results. • The ratio of the fractions of non-crystalline to crystalline Laguerre polyhedra faces was introduced as a new parameter . This parameter reflects the total non-crystallinity of a structure and the amount of atomic rearrangements necessary for crystallization. Thus, the parameter is related to the glass-forming ability. It depends strongly on composition and atomic size ratio and indicates a region of enhanced glass-forming ability in binary mixtures at 80 % of small atoms and atomic size ratio of 1.3. All found maxima of parameter for ternary mixtures have compositions and size ratios which are nearly the same as for the binary mixture with the maximum value of . • A new method of multiple-compression was introduces in order to test the tendency towards densification and/or crystallization of the simulated mixtures. The results of the multiple-compression of monatomic mixtures indicate a limiting value of about 0.6464 for the density of the amorphous state. Further densification is necessarily connected to formation and growth of nano-crystalline regions. • The results of the multiple-compression for binary mixtures shows a new maximum of the density at the size ratio of 1.3 and 30 % to 90 % of small atoms. This maximum indicates a local island of stability of the amorphous state. The maximal receivable density without crystallization in this region is enhanced compared to neighbouring regions. • The comparison of the parameter and the density to the distribution of known binary bulk metallic (metal-metal) glasses clearly shows that both parameters play a significant role in the glass-forming ability. • The polyhedra analysis shows regions with enhanced fraction of the icosahedral short-range order (polyhedron (0, 0, 12)) in the binary systems with the maximum at 80 % of small atoms and size ratio of 1.3. Comparison of the distribution of the (0, 0, 12) polyhedra to the distribution of known binary metallic (metal-metal) glasses and to the parameter shows that icosahedral short-range order is not related to the glass-forming ability and is a consequence of the high non-crystallinity (high values of ) of the mixtures and non vice versa. Results for the ternary mixtures confirm this observation. • A new approach for the calculation of the mixing enthalpy is proposed. The new method is based on the combination of Miedema’s semi-empirical model and Laguerre tessellation technique. The new method as well as 6 other methods including the original Miedema’s model were tested for more than 1400 ternary and quaternary alloys. The results show a better agreement with experimental values of the mixing enthalpy for the new model compared to all other methods. The new model takes into account the local structure at atom site and can be applied to all metallic alloys without additional extrapolations if the atomic structure of the considered alloy is known from a suitable atomistic structure model.