Metallic glasses are amorphous alloys that do not possess long-range structural order in contrast to crystalline alloys. Ni-free Ti-based bulk metallic glasses (BMGs) have potential for biomedical applications due to their attractive properties such as high strength, good corrosion resistance and excellent micro-formability, which cannot be obtained for conventional crystalline alloys. In this PhD thesis, Ni-free Ti-based BMGs, i.e. Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 and Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 0, 2, 4, 6, 8), were prepared in the shape of rods by suction casting. Both alloy classes were systematically characterized in terms of glass forming ability, thermal stability, phase formation and mechanical properties. The largest diameter obtained in the fully glassy state for Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 alloy is 3 mm and for Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 2, 4, 6, 8) alloys is 2 mm. Base alloy (Ti40Zr10Cu36Pd14) contains some crystalline phase(s) in the glassy matrix for a 2 mm diameter rod. The structural transformations of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG upon heating were thoroughly analyzed by utilizing different combination of methods. Firstly, we used differential scanning calorimetry (DSC), X-Ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) to investigate the first crystallization event. The main products of the first crystallization are possibly -(Ti, Zr) and Cu3Ti (orthorhombic) phases. Secondly, we employed in situ x-ray diffraction in transmission mode using synchrotron beam to deeply study the thermally-induced structural changes like relaxation, glass transition and crystallization. Since the first peak in the diffraction patterns reflects the structure of the glassy phase on the medium-range scale, the position, width and intensity of this peak in diffraction patterns are fitted through Voigt function below 800 K. All the peak position, width and intensity values show a nearly linear increase with increasing temperature to the onset temperature of structural relaxation, Tr = 510 K. However, these values start to deviate from the linear behavior between Tr and glass transition temperature Tg. The changes in the free volume, which was arrested during rapid quenching of the BMG, and the coefficient of volumetric thermal expansion prove that the aforementioned phenomenon is closely related to the structural relaxation. Above 800 K, three crystallization events are detected and the first exothermic event is due to the formation of metastable nanocrystals. For the Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 alloy, 2 mm diameter rods exhibit the best combination of mechanical properties (e.g. large plastic strain and high yield strength) among all the diameters (ø2, ø3 and ø4 mm) under the room-temperature compression tests. With the aim to improve its room-temperature mechanical properties, the processes of pre-annealing and cold rolling have been applied for the 2 mm diameter rods. Annealed and quenched specimens below Tg and in the supercooled liquid region (between Tg and onset crystallization temperature Tx) do not lead to the enhancement of the plasticity compared to as-cast alloys due to annihilation of excess free volume and crystallization. Cold rolling can effectively improve the plasticity of this BMG by inducing structural heterogeneities. Rolled samples up to a thickness reduction of 15% result in the largest plasticity of 5.7%. Low yield strength and visible work hardening ability are observed in the both 10%-rolled and 15%-rolled samples. The deformation behavior of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG at the elevated temperatures slightly below Tg and in the supercooled liquid region has been investigated. The stress-strain relations for this BMG over a broad range of temperatures (298 ~716 K) and strain rates (10-5 to 10-3 s-1) were established in uniaxial compression. Under compression tests at the highest test temperature of 716 K, the Ti-based BMG partially crystallizes and low strain rates can lead to the formation of larger volume fractions of crystals. In order to further improve the plasticity of Ti-Zr-Cu-Pd BMGs and simultaneously reduce the content of Cu (considering harmful element for the human body), the Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 2, 4, 6, 8) BMGs have been newly developed with different short- or medium-range order in the structure. The compressive global strain of Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 0, 2, 4, 6, 8) can be significantly improved from 4.5% for the In-free alloy to 10.2% for x = 4. However, a further increase of the indium content to 8 at.% results in a decrease of the plasticity. Among all the monolithic Ni-free Ti-based BMGs reported so far, the novel Ti40Zr10Cu32Pd14In4 BMG shows the largest plasticity. Inspired by the dislocation concept in crystalline materials, we propose a strategy for the design of ductile BMGs through minor substitution using relatively large atoms, which make the bonding nature become more metallic and with it less shear resistant. Such a locally modified structure results in topological heterogeneity, which appears to be crucial for achieving enhanced plasticity. This strategy is verified for Ti-Zr-Cu-Pd glassy alloys, in which Cu was replaced by In, and seems to be extendable to other BMG systems. The atomic-scale heterogeneity in BMGs is somewhat analog to defects in crystalline alloys and helps to improve the overall plasticity of BMGs.

Fe-based bulk metallic glasses (BMGs) have gained considerable interest due to their excellent soft magnetic properties with high saturation magnetization, high electrical resistivity, very good corrosion resistance, low materials cost, extremely high mechanical strength and hardness. In spite of having excellent strength, Fe-based BMGs are not used as structural materials in service, so far. The major obstacle is their inherent brittleness under mechanical loading, once a crack is developed the material fails catastrophically. Owing to the ever growing industrial demand for the materials with outstanding properties, aside from exploring new alloy compositions, it is pertinent to understand why or why-not the existing system work and how to improve their properties. Recent reports suggested that the plastic deformability can be enhanced by introducing different microstructural heterogeneities such as free volume enhanced regions, separated phases, nano-crystals, atomic clusters caused by for instance additions of small amount of soft elements. Understanding the effect of addition of soft elements to Fe-based BMGs on thermal stability, structural evolution, magnetic and mechanical properties are the main point which this work addresses. In this work, a study on two different soft ferromagnetic Fe-based glass forming alloys are presented, both of them known to have very high mechanical strength and excellent soft magnetic properties but so far have not been used in any industrial applications. The important issue is with the brittle behavior of this BMGs, particularly under mechanical loading. In each glass forming alloys, the aim was to find out the optimum quantity of the soft elements (Cu and Ga), which can be added to improve their room temperature plastic deformability without affecting the glass forming ability (GFA) and soft magnetic properties. The first glass forming alloy that is studied is Fe36Co36B19.2Si4.8Nb4. This glass forming alloy is highly sensitive to the impurities, only pure elements were used to form this alloy. The addition of only 0.5 at.% Cu completely changes the thermal stability and structural evolution but it also improves the mechanical properties. In case of Ga addition up to 1.5 at.% the crystallization behavior remains unaltered and the thermal stability improves marginally. The addition of Ga improves the plastic deformability of the glass by forming soft zones, whose melting point is much lower compared to rest of the alloy. These soft zones are responsible for the plastic deformation of this glass. Thus addition of Ga is very beneficial in improving the mechanical properties of this Fe-based BMG. In the second part, Fe74Mo4P10C7.5B2.5Si2 glass forming alloy is studied. Unlike the aforementioned alloy, this glass forming alloy is not very sensitive to the impurities, industrial grade alloy elements can also be used to form this alloy. In this alloy addition of Cu is beneficial only up to 0.5 at.%, beyond that Cu addition deteriorates GFA and magnetic properties. In case of Ga addition up to 2 at.% the crystallization behavior remains unaltered and the thermal stability improves marginally. Similar to the FeCoBSiNb glass, the addition of Ga in FeMoPCBSi glass also improves the plastic deformability of the glass by formation of soft zones. Addition of small at.% Ga proved be an viable solution to improve the plastic deformability in the ferromagnetic Fe-based metallic glasses without compromising on thermal and magnetic properties of the glass. In the final part we tried to cast the Fe74Mo4P10C7.5B2.5Si2 glass in a complex shape using an industrial high pressure die casting (HPDC) set up. The important issues were with the casting alloy temperature, casting speed and die material. The aim of our work was to optimize the die material suitable for casting the BMGs and then address the issues with casting temperature and casting speed. We have thus attempted to gain a basic knowledge in casting the Fe-based BMG in industrial scale. Our effort was tremendously successful, we were able to produce fully amorphous complex shaped samples with excellent surface finish. We have thus made a considerable advancement towards understanding the basics behind improving the room temperature plastic deformability in Fe36Co36B19.2Si4.8Nb4 and Fe74Mo4P10C7.5B2.5Si2 ferromagnetic BMGs. We have also made a considerable progress in industrialization of bulk ferromagnetic BMGs.

In the past, it has been found that CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr crystals in the glassy matrix display significant plasticity with obvious work hardening. In this work, it was tried to provide a strategy for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites, to modify the microstructures of these composites, and to clarify their yielding and deformation mechanisms. In order to pinpoint the formation of CuZr-based BMG composites, the phase formation and structural evolution of 11 kinds of CuZr-based alloy systems, altogether 36 different compositions, during heating and quenching processes were investigated. An endothermic event between the crystallization and melting peaks was found to be associated with a eutectoid transformation of the B2 CuZr phase. With the addition of elements to the CuZr-based alloys, this endothermic peak(s) shifts to lower or higher temperatures, implying that minor element additions can change the thermal stability of the B2 CuZr phase. By considering the thermal stability of the supercooled liquid, i.e. its resistance against crystallization, and the thermal stability of the B2 CuZr phase, a new strategy to select compositions, which form metastable CuZr-based composites consisting of an amorphous phase and B2 CuZr crystals, is proposed. It is characterized by a parameter, K = Tf /TL, where Tf and TL are the final temperature of the eutectoid transformation during heating and the liquidus temperature of the alloy, respectively. Based on this criterion, the present CuZr-based alloys are classified into three types. For Type I alloys with lower K values, it is difficult to obtain bulk metallic glass (BMG) composites. For Type III alloys with higher K values, BMG composites with larger dimensions are prone to be fabricated, whereas only moderate-sized BMG composites can be obtained for Type II possessing intermediate K values. Accordingly, CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr phase in the glassy matrix for different alloy systems were successfully fabricated into different dimensions. For the sake of controlling the formation of the B2 CuZr phase in the glassy matrix and then changing the deformability of CuZr-based BMG composites, different methods were also used to fabricate these composites by: (1) introducing insoluable/high-melting particles; (2) appropriate re-melting treatments of master alloys; and (3) a new flash heating and quenching method. It was demonstrated that the volume fraction, size and distribution of the B2 phase in the glassy matrix can be controlled as well using the methods above. In order to clarify the excellent mechanical properties of CuZr-based BMG composites, the yielding and plastic deformation mechanisms of CuZr-based BMG composites were investigated based on SEM, XRD, and TEM observations. With the volume fraction of amorphous phase (famor) decreasing from 100 vol.% to 0 vol.%, a single-to-“double”-to-“triple”-double yielding transition was found. For the monolithic CuZr-based BMGs and their composites with the famor ³ 97.5 ± 0.5 vol.%, only one yielding at a strain of ~2% occurs, which is due to the formation of multiple shear bands in the glassy matrix, and the associative actions of the shear banding and the martensitic transformation (MT), respectively. When the famor is less than 97.5 ± 0.5 vol.%, a “yielding” occurs at a low strain of ~1%, which results from the yielding of B2 CuZr phase and the onset of the MT within B2 CuZr phase. When the famor is larger than 55 ± 3 vol.%, a “yielding” observed at strains >8% is ascribed from the operation of dislocations with a high density as well as partial de-twinning. It was also found that with the famor decreasing, the deformation mechanism gradually changes from a shear-banding dominated process, to a process being governed by the MT in the crystalline phase, resulting in different plastic strains. Owing to the importance of the MT and the shear banding to the deformation of CuZr-based BMG composites, the details of the MT and the shear banding process were investigated. On one hand, it was found that the MT temperatures of CuZr-based martensitic alloys have a clear relationship with the respective electronic structure and the lattice parameter of the equiatomic CuZr intermetallics. The MT temperatures of the studied alloys can be evaluated by the average concentration of valence electrons. Additional elements with larger atomic radius can affect the stacking fault energy and the electronic charge density redistribution, resulting in the difference of the electronic structures. On the other hand, the formation and multiplication of shear bands for CuZr-based BMG composites is associated with the storage and dissipation of the partial elastic energy during the plastic deformation. When microstructural inhomogeneities at different length scales are introduced into the glassy matrix, the elastic energy stored in the sample-machine system during the plastic deformation is redistributed, resulting in a transition of shear banding process from a chaotic behavior to a self-organized critical state. All in all, our studies and observations provide an understanding of the formation, deformation, and microstrcutural optimization of CuZr-based BMG composites and give guidance on how to improve the ductility/toughness of BMGs. / In letzter Zeit zeigte sich, dass massive Cu-Zr-basierte metallische Glaskomposite, welche B2 CuZr-Kristallite in der amorphen Matrix enthalten, eine ausgeprägte Plastizität mit klarer Kaltverfestigung aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, eine Strategie zur zielgenauen Einstellung der Phasenbildung und des dazugehörigen Gefüges von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen bereitzustellen, sowie deren Fließ- und Verformungsmechanismen aufzuklären. Es wurden elf verschiedene CuZr-basierte Legierungssysteme, insgesamt 36 verschiedene Zusammensetzungen, während Heiz- und Abschreckprozessen untersucht, um die Phasenbildung samt Gefüge von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen zielgenau einzustellen. Bei CuZr-basierten metallischen Gläsern kann eine endotherme Reaktion zwischen Kristallisation und Schmelzvorgang der eutektoiden Umwandlung von B2 CuZr zugeordnet werden. Mit Zugabe verschiedener Elemente zur CuZr-Basislegierung kann diese Umwandlung zu höheren bzw. niedrigeren Temperaturen verschoben werden. Bereits geringe Beimischungen beeinflussen die thermische Stabilität der B2 CuZr-Phase. Unter Berücksichtigung der thermischen Stabilität, sowie des Widerstands gegen Kristallisation der unterkühlten Schmelze und der B2 CuZr-Phase wurde eine neue Strategie zur Auswahl des Zusammensetzungsgebiets metastabiler CuZr-Legierungen verschiedener Durchmesser vorgeschlagen. Dieser Widerstand kann durch den Parameter K=Tf/TL beschrieben werden, wobei Tf die Endtemperatur der eutektoiden Umwandlung und TL die Liquidustemperatur sind. Basierend auf diesem Parameter können die untersuchten CuZr-basierten Legierungen in drei Klassen unterteilt werden. Für Legierungen vom Typ I mit niedrigeren K-Werten, ist es schwer massive metallische Glas-Komposite (BMG-Komposite) zu erhalten. Im Gegensatz dazu lassen sich für Legierungen vom Typ III, mit höheren K-Werten, BMG-Komposite mit größeren Probendurchmessern herstellen und Legierungen vom Typ II mit einem mittleren K-Wert mit moderaten Probendurchmessern erzeugt werden. Folglich wurden CuZr-basierte Glas-Matrix-Komposite verschiedener Legierungssysteme mit B2-Phase in der amorphen Matrix erfolgreich in unterschiedlichen Geometrien hergestellt. Zur Kontrolle der Ausbildung der B2-Phase in der amorphen Matrix wurden unterschiedliche Methoden verwendet, um duktile CuZr-basierte BMG-Komposite herzustellen: (1) Einbringen von unlöslichen, hochschmelzenden Partikeln; (2) geeignete Wiederaufschmelzbehandlungen der Vorlegierungen; (3) eine neue Schnellerhitzungs- und -Abschreckmethode. Es konnte gezeigt werden, dass der Volumenanteil, sowie die Größe und Verteilung der B2-Phase in der amorphen Matrix durch die oben genannten Methoden kontrolliert werden können. Um die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich des Fließens und der plastischen Deformationsmechanismen von CuZr-basierten BMG-Kompositen aufzuklären, wurden diese näher mittels Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Durchstrahlungs-elektronenmikroskopie untersucht. Mit sinkendem Volumenanteil der amorphen Phase (famor) von 100 vol.% auf 0 vol.% kann ein Übergang von einer über zwei zu drei Fließgrenzen beobachtet werden. Für monolithische CuZr-basierte BMGs und ihre Komposite mit einem Anteil famor ≥ 97.5 ± 0.5vol.% erfolgt das Fließen ab einer Stauchung von ~2% durch Ausbildung von mehreren Scherbänden in der amorphen Matrix bzw. dem Zusammenwirken des dazugehörigen Scherens und der Martensitumwandlung. Bei einem Anteil famor unter 97.5 ± 0.5 vol.% findet ein Fließen bei niedrigerer Stauchung von ~1% statt. Dies geschieht aufgrund des Fließens und der beginnenden martensitischen Umwandlungen der B2 CuZr-Phase. Bei einem Anteil famor größer als 55 ± 3 vol.% kann ein Fließen oberhalb einer Stauchung von 8% durch die Interaktion von Versetzungen bei hoher Versetzungsdichte sowie partiellem „Entzwillingen“, beobachtet werden. Es wurde herausgefunden, dass mit sinkendem famor der Verformungsmechanismus schrittweise von einem Scherband dominierten zu einem von der martensitischen Umwandlung dominierten Mechanismus übergeht. Dieser Übergang führt zu Unterschieden in der plastischen Verformung. Da für das Verformungsverhalten von CuZr-basierten BMG-Kompositen die deformationsinduzierte martensitische Umwandlung und die Entstehung sowie Ausbreitung von Scherbändern von herausragender Bedeutung sind, wurden sie näher untersucht. Einerseits wurde herausgefunden, dass die Umwandlungstemperatur der martensitischen Umwandlung von CuZr-basierten martensitischen Legierungen in klarer Beziehung zur entsprechenden Elektronenstruktur und der Gitterkonstanten der äquiatomaren intermetallischen CuZr-Phasen stehen. Die martensitischen Umwandlungstemperaturen der untersuchten Legierungen können über die mittlere Valenzelektronenkonzentration ausgewertet werden. Zusätzliche Elemente mit größerem Atomradius können die Stapelfehlerenergie und die Ladungsdichteverteilung ändern, was in unterschiedliche Elektronenstrukturen mündet. Andererseits ist die Entstehung und Vervielfachung von Scherbändern in CuZr-basierten BMG-Kompositen verbunden mit der Speicherung und Dissipation der partiellen elastischen Energie während der plastischen Verformung. Durch das Einbringen von Gefügeinhomogenitäten unterschiedlicher Größe in die Glasmatrix, wird die elastische Energie, die im System Probe-Maschine gespeichert ist, während der plastischen Deformation umverteilt. Dies führt zu einem Übergang des Schervorgangs von chaotischem Verhalten zu einem selbstorganisierten kritischen Zustand. Insgesamt stellen unsere Untersuchungen und Beobachtungen ein Verständnis der Ausbildung, Verfomung und Gefügeoptimierung von CuZr-basierten BMG-Kompositen bereit und sollen als Leitfaden zur Verbesserung der Duktilität bzw. Zähigkeit von BMGs dienen.

In this PhD research the liquid-liquid phase separation phenomena in Gd-based alloys was investigated in terms of phase equilibria, microstructure formation upon quenching the melt and corresponding magnetic properties of phase-separated metallic glasses. The phase diagrams of the binary subsystems Gd-Zr and Gd-Ti were experimentally reassessed. Especially the phase equilibria with the liquid phase could be determined directly by combining in situ high energy synchrotron X-ray diffraction with electrostatic levitation of the melt. The Gd-Zr system is of eutectic type with a metastable miscibility gap. The eutectic composition at 18 ± 2 at.% Zr, the liquidus line and the coexistence of bcc-Zr and bcc-Gd at elevated temperature could be determined. The Gd-Ti system is a monotectic system. The experimental observations in this work led to improved new Gd-Zr and Gd-Ti phase diagrams. The phase equilibria of the ternary Gd-Ti-Co system were analyzed for two alloy compositions. The XRD patterns for molten Gd35Ti35Co30 gave direct evidence for the coexistence of two liquid phases formed by liquid-liquid phase separation. The first experimental and thermodynamic assessment of the ternary Gd–Ti–Co system revealed that the stable miscibility gap of binary Gd–Ti extends into the ternary Gd–Ti–Co system (up to about 30 at.% Co). New phase-separated metallic glasses were synthesized in Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti or Zr) alloys. The microstructure was characterized in terms of composition and cooling rate dependence of phase separation. Due to large positive enthalpy of mixing between Gd on the one side and Hf, Ti or Zr on the other side, the alloys undergo liquid-liquid phase separation during rapid quenching the melt. The parameters determining the microstructure development during phase separation are the thermodynamic properties of the liquid phase, kinetic parameters and quenching conditions. By controlling these parameters and conditions the microstructure can be tailored both at microscopic and macroscopic length scales. This includes either droplet-like or interconnected microstructures at the microscopic level and glass-glass or glass-crystalline composites at the macroscopic level. Essential parameter for the quenched in microstructure is the temperature dependence of liquid-liquid phase separation, which is determined by the chemical composition of the alloy: on the one hand, earlier and/or later stages of spinodal decomposition or almost homogeneous glassy states are obtained if the critical temperature of miscibility gap Tc is close to the glass transition temperature Tg; and on the one hand, coarsening and secondary precipitations of the liquids are obtained if Tc is much higher than Tg. Finally, the influence of the microstructure developed by phase separation on their magnetic properties had been investigated. The saturation magnetization σS depends on the overall amount of Gd atoms in the alloys and is not remarkably affected by phase separation processes. The Curie temperature TCurie of the magnetic transition is influenced by the changed chemical composition of the Gd-rich glassy phases compared to that of monolithic Gd-Co-Al glasses. / In dieser Doktorarbeit wurde die flüssig-flüssig Phasenentmischung von Gd-basierten Legierungen hinsichtlich der Phasengleichgewichte, der Gefügeentwicklung während der Schmelzabschreckung und dazugehöriger magnetischer Eigenschaften, untersucht. Die Zustandsdiagramme der binären Untersysteme Gd-Zr undGd-Ti wurden experimentell ermittelt.. Insbesondere konnten die Phasengleichgewichte mit der flüssigen Phase mittels in-situ Röntgenbeugungsmessunngen an elektrostatisch levitierten Schmelzen direkt, bestimmt werden. Das Gd-Zr System stellt ein ein eutektisches Phasendiagram dar und besitzt eine metastabile Mischungslücke. Die eutektische Zusammensetzung wurde mit 18 ± 2 at.%Zr bestimmt und der Verlauf der Liquiduslinie bei erhöhten Temperaturen wurde experimentell ermittelt. Experimentell wurde die Koexistenz von kubisch-raumzentrierten Zr und Gd in einem Bereich bei hohen Temperaturen nachgewiesen. Das Gd-Ti-System ist von monotektischer Art. Die experimentellen Beobachtungen dieser Arbeit trugen wesentlich zur Verbesserung der Beschreibung der Phasendiagaramme Gd-Zr- und Gd-Ti-Phasenbei. Die Phasengleichgewichte des ternären Gd-Ti-Co-Systems wurde anhand zweier Legierungszusammensetzungen untersucht. Die Röntgenbeugungsdiffraktogramme der geschmolzenen Legiereung Gd35Ti35Co30 sind ein direkter Beleg für die Koexistenz zweier flüssiger Phasen, aufgrund der flüssig-flüssig Phasenentmischung. Die erste experimentelle und thermodynamische Auswertung des ternären Gd-Ti-Co-Systems zeigt, dass sich die stabile Mischungslücke des binären Gd-Ti-Systems ins ternäre Gd-Ti-Co-System bis zu ungefähr 30 at.% Co erstreckt. Es wurden neue Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti oder Zr)-basierte metallische Gläser, die separierte Phasen besitzen, hergestellt. Ihr Gefüge wurden hinsichtlich Zusammensetzung- und Abkühlratenabhängigkeit der Phasenentmischung charakterisiert. Aufgrund der großen positiven Mischungsenthalpie zwischen Gd auf der einen und Hf, Ti oder Zr auf der anderen Seite, weisen diese Legierungen eine flüssig-flüssig Phasenentmischung während der Abschreckung aus der Schmelze auf. Die Einflussgrößen, die die Gefügeentwicklung während der Phasenentmischung bestimmen, sind die thermodynamischen Eigenschaften der flüssigen Phase, die kinetische Parameter und die Abschreckbedingungen. Indem diese Parameter und Bedingungen kontrolliert werden, kann das Gefüge auf makro- sowie mikroskopischer Längenskala maßgeschneidert werden. Dies beinhaltet entweder tropfenförmige oder miteinander verbundene Gefüge auf einer mikroskopischen Skala und Glas-Glas oder Glas-Kristall Komposite auf einer makroskopischen Längenskala. Ein wesentlicher Parameter für das abgeschreckte Gefüge ist die Temperatur-Abhängigkeit der flüssig-flüssig Phasenentmischung, die durch die chemische Zusammensetzung der Legierung bestimmt wird. Frühere und/oder spätere Stadien der spinodalen Entmischung oder nahezu homogene amorphe Zustände können abhängig von dem Temperaturunterschied zwischen kritischer Temperatur der flüssig-flüssig Phasenentmischung und der Glasübergangstemperatur erhalten werden. Wenn die kritische Temperatur der Mischungslücke, Tc, viel höher ist als die des Glasübergangs, Tg, können makroskopische Vergröberungen der tropfenförmigen Verteilung der flüssigen Phase und sekundäre flüssige oder kristalline Ausscheidungen in den gebildeten amorphen Phasen erhalten werden. Durch die Phasenentmischung und die erhaltenen heterogenen Gefüge werden die magnetischen Eigenschaften beeinflusst.. Die Sättigungsmagnetisierung,σS, hängt von der gesamten Anzahl der Gd-Atome der Legierung ab und wird nicht bemerkenswert vom Phasenentmischungsprozess beeinflusst. Die Curie Temperatur TCurie wird im Vergleich zu monolithischen Gd-Co-Al Gläsern, und abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Gd-reichen Phase, verändert.

(Bulk) metallic glasses ((B)MGs) are known to exhibit the highest yield strength of any metallic material (up to 5GPa), and show an elastic strain at ambient conditions, which is about ten times larger than that of crystalline materials. Despite these intriguing mechanical properties, BMGs are not used as structural materials in service, so far. The major obstacle is their inherent brittleness, which results from severe strain localization in so-called shear bands. MGs fail due to formation and propagation of shear bands. A very effective way to attenuate the brittle behaviour is to incorporate crystals into the glass. The resulting BMG composites exhibit high strength as well as plasticity. Cu-Zr-Al-based BMG composites are special to that effect, since they combine high strength, plasticity and work-hardening. They are comprised of the glass and shape-memory B2 CuZr crystals, which can undergo a deformation-induced martensitic transformation. The work-hardening originates from the martensitic transformation and overcompensates the work-softening of the glass. The extent of the plasticity of BMG composites depends on the volume fraction, size and particularly on the distribution of the B2 CuZr crystals. Nowadays, it is very difficult, if not impossible to prepare BMG composites with uniformly distributed crystals in a reproducible manner by melt-quenching, which is the standard preparation method. Flash-annealing of BMGs represents a new approach to overcome this deficiency in the preparation of BMG composites and is the topic of the current thesis. Cu46Zr46Al8 and Cu44Zr44Al8Hf2Co2 BMGs were flash-annealed and afterwards investigated in terms of phase formation, crystallization kinetics and mechanical properties. Flash-annealing is a process, which is characterized by the rapid heating of BMGs to predefined temperatures followed by instantaneous quenching. A temperature-controlled device was succesfully developed and built. The Cu-Zr-Al-based BMGs can be heated at rates ranging between 16 K/s and about 200 K/s to temperatues above their melting point. Rapid heating is followed by immediate quenching where cooling rates of the order of 1000 K/s are achieved. As a BMG is flash-annealed, it passes the glass-transition temperature, Tg, and transforms to a supercooled liquid. Further heating leads to its crystallization and the respective temperature, the crystallization temperature, Tx, divides the flash-annealing of BMGs into two regimes: (1) sub-Tx-annealing and (2) crystallization. The structure of the glass exhibits free volume enhanced regions (FERs) and quenched-in nuclei. Flash-annealing affects both heterogeneities and hence the structural state of the glass. FERs appear to be small nanoscale regions and they can serve as initiation sites for shear bands. Flash-annealing of Cu-Zr-Al-based BMGs to temperatures below Tg leads to structural relaxation, the annihilation of FERs and the BMG embrittles. In contrast, the BMG rejuvenates, when flash-annealed to temperatures of the supercooled liquid region (SLR). Rejuvenation is associated with the creation of FERs. Compared to the as-cast state, rejuvenated BMGs show an improved plasticity, due to a proliferation of shear bands, which are the carrier of plasticity in MGs. Flash-annealing enables to probe the influence of the free volume in bulk samples on their mechanical properties, which could not be studied, yet. In addition, B2 CuZr nanocrystals precipitate during the deformation of flash-annealed Cu44Zr44Al8Hf2Co2 BMGs. Deformation-induced nanocrystallization does not occur for the present as-cast BMGs. Flash-annealing appears to stimulate the growth of quenched-in nuclei, which are subcritical in size and can also dissolve, once the BMG is heated to temperatures in the SLR. Rejuvenation represents a disordering process, whereas the growth of quenched-in nuclei is associated with ordering. There is a competition between both processes during flash-annealing. The ordering seems to lead to a “B2-like” clustering of the medium range of Cu44Zr44Al8Hf2Co2 BMGs with increasing heating duration. So far, there does not exist another method to manipulate the MRO of BMGs. If Cu44Zr44Al8Hf2Co2 BMGs are flash-annealed to temperatures near Tx, most likely compressive resiudal stresses develop near the surface, which is cooled faster than the interior of the BMG specimen. They hinder the propagation of shear bands and increase the plasticity of flash-annealed BMGs in addition to rejuvenation and deformation-induced nanocrystallization. If BMGs are heated to temperatures above Tx, they start to crystallize. Depending on the exact temperature to which the BMG is flash-annealed and subsequently quenched, one can induce controlled partial crystallization. Consequently, BMG composites can be prepared. Both Cu-Zr-Al-based BMGs are flash-annealed at various heating rates to study the phase formation as a function of the heating rate. In addition, Tg and Tx are identified for each heating rate, so that a continuous heating transformation diagram is constructed for both glass-forming compositions. An increasing heating rate kinetically constrains the crystallization process, which changes from eutectic (Cu10Zr7 and CuZr2) to polymorphic (B2 CuZr). If the Cu-Zr-Al-based BMGs are heated above a critical heating rate, exclusively B2CuZr crystals precipitate, which are metastable at these temperatures. Thus, flash-annealing of Cu46Zr46Al8 and Cu44Zr44Al8Hf2Co2 BMGs followed by quenching enables the preparation of B2 CuZr BMG composites. The B2 precipitates are small, high in number and uniformly distributed when compared to conventional BMG composites prepared by melt-quenching. Such composite microstructures allow the direct observation of crystal sizes and numbers, so that crystallization kinetics of deeply supercooled liquids can be studied as they are flash-annealed. The nucleation kinetics of devitrified metallic glass significantly diverge from the steady-state and at high heating rates above 90 K/s transient nucleation effects become evident. This transient nucleation phenomenon is studied experimentally for the first time in the current thesis. Once supercritical nuclei are present, they begin to grow. The crystallization temperature, which depends on the heating rate, determines the crystal growth rate. At a later stage of crystallization a thermal front traverses the BMG specimen. In levitation experiments, this thermal front is taken as the solid-liquid interface and its velocity as the steady-state crystal growth rate. However, the thermal front observed during flash-annealing, propagates through the specimen about a magnitude faster than is known from solidification experiments of levitated supercooled liquids. As microstructural investigations show, crystals are present in the whole specimen, that means far ahead of the thermal front. Therefore, it does not represent the solid-liquid interface and results from the collective growth of crystals in confined volumes. This phenomenon originates from the high density of crystals and becomes evident during the heating of metallic glass. It could be only observed for the first time in the current thesis due to the high temporal resolution of the high-speed camera used. The heating rate and temperature to which the BMG is flash-annealed determine the nucleation rate and the time for growth, respectively. The size and number of B2 CuZr crystals can be deliberately varied. Thus mechanical properties of B2 CuZr BMG composites can be studied as a function of the volume fraction and average distance of B2 particles. Cu44Zr44Al8Hf2Co2 BMG specimens were flash-annealed at a lower and higher heating rate (35 K/s and 180 K/s) to different temperatures above Tx and subsequently subjected to uniaxial compression. BMG composites prepared at higher temperatures show a lower yield strength and larger plastic strain due to the higher crystalline volume fraction. They not only exhibit plasticity in uniaxial compression, but also ductility in tension as a preliminary experiment demonstrates. Furthermore, nanocrystals precipitate in the amorphous matrix of BMG composites during deformation. They grow deformation-induced from quenched-in nuclei, which are stimulated during flash-annealing. In essence, flash-annealing of BMGs is capable of giving insight into most fundamental scientific questions. It provides a deeper understanding of how annealing affects the structural state of metallic glasses. The number and size of structural heterogeneities can be adjusted to prepare BMGs with improved plasticity. Furthermore, crystallization kinetics of liquids can be studied as they are rapidly heated. Transient nucleation effects arise during rapid heating of BMGs and they cannot be described using the steady-state nucleation rate. Therefore, an effective nucleation rate was introduced. Besides, the flash-annealing process rises the application potential of BMGs. The microstructure of BMG composites comprised of uniformly distributed crystals and the glass, can be reliably tailored. Thus, flash-annealing constitutes a novel method to design the mechanical properties of BMG composites in a reproducible manner for the first time. BMG composites, which exhibit high strength, large plasticitiy and as in the case of B2 CuZr BMG composites as well work-hardening behaviour, can be prepared, so that the intrinsic brittleness of monolithic BMGs is effectively overcome.

The glass-forming Ti75Zr10Si15 alloy is regarded as a potential new material for implant applications due to its composition of non-toxic, biocompatible elements and many interesting mechanical properties. The effects of partial substitution of 15 at.-% Ti by Nb on the microstructure and mechanical behavior of the alloy have been investigated. The limited glass-forming ability (GFA) of the Ti75Zr10Si15 alloy results for melt-spun ribbons mainly in nanocomposite structures with β-type nanocrystals being embedded in a glassy matrix. Addition of Nb increases the glass-forming ability. Raising the overheating temperature of the melt prior to melt-spinning from 1923 K to 2053 K yields a higher amorphous phase fraction for both alloys. A decrease of hardness (H), ultimate stress and reduced Young’s modulus (Er) is observed for Ti60Zr10Nb15Si15 rods as compared to Ti75Zr10Si15 ones. This is attributed to an increase of the fraction of the β-type phase. The melt-spun ribbons show an interesting combination of very high hardness values (H) and moderate reduced elastic modulus values (Er). This results in comparatively very high H/Er ratios of >0.075 which suggests these new materials for applications demanding high wear resistance. The corrosion and passivation behavior of these alloys in their homogenized melt-spun states have been investigated in Ringer solution at 37°C in comparison to their cast multiphase crystalline counterparts and to cp-Ti and β-type Ti-40Nb. All tested materials showed very low corrosion rates. Electrochemical and surface analytical studies revealed a high stability of their passive states in a wide potential range. The addition of Nb does not only improve the glass-forming ability and the mechanical properties but also supports a high pitting resistance even at extreme anodic polarization. With regard to the corrosion properties, the Nb-containing nearly single-phase glassy alloy can compete with the β-type Ti-40Nb alloy. In addition, it has been demonstrated that thermal oxidation could be well applied to Ti75Zr10Si15 and Ti60Zr10Nb15Si15 melt-spun ribbons. Thermal oxidation treatment is one of the simple and cost-effective surface modification methods to improve the surface characteristics of these alloys. In the first tests, ribbon samples of the ternary and the quaternary alloy which were oxidized at 550°C in synthetic air showed suitable fundamental properties for implant applications, i.e. high hardness, good wettability and hydroxyapatite-forming ability after 10 days. All these properties recommend the new glass-forming alloys for application as wear- and corrosion-resistant coating materials for implants. / Die glasbildende Legierung Ti75Zr10Si15 wird wegen ihrer biokompatiblen Zusammensetzung ohne toxische Elemente und auf Grund interessanter mechanischer Eigenschaften als potentielles neues Implantatmaterial betrachtet. Es wurden 15 at.-% Ti durch Nb partiell substituiert und die Effekte auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung untersucht. Auf Grund der eingeschränkten Glasbildungsfähigkeit von Ti75Zr10Si15 bestehen die schmelzgeschleuderten Bänder dieser Legierung hauptsächlich aus Nanokomposit-Strukturen mit β-phasigen Nanokristallen in einer glasartigen Matrix. Die Zugabe von Nb steigert die Glasbildungsfähigkeit. Das Anheben der Überhitzungstemperatur der Schmelze vor dem Schmelzschleudern von 1923 auf 2053 K führt für beide Legierungen zu einem höheren Anteil amorpher Phase. Es wird bei der Legierung Ti60Zr10Nb15Si15 im Vergleich zur Ti75Zr10Si15-Legierung eine Abnahme der Härte (H), Bruchfestigkeit und ein reduzierter E-Modul (Er) beobachtet. Dies wird mit dem Anstieg des beta-Phasenanteils erklärt. Die schmelzgeschleuderten Bänder zeigen eine interessante Kombination aus sehr hoher Härte und moderaten E-Modul Werten (Er). Dies führt zu vergleichsweise sehr hohen H/Er-Verhältnissen von >0,075, wodurch diese Materialien für Anwendungen mit hohen Verschleißanforderungen geeignet sind. Das Korrosions- und Passivierungsverhalten dieser Legierungen in ihrem homogenisierten schmelzgeschleuderten Zustand wurde in Ringer-Lösung bei 37°C untersucht und mit dem gegossenen vielphasigen kristallinen Zustand dieser Legierungen sowie mit cpTi und beta-Typ Ti-40Nb verglichen. Alle untersuchten Materialien zeigten sehr niedrige Korrosionsraten. Elektrochemische Studien und Oberflächenanalysen belegen eine hohe Stabilität der Passivfilme in einem weiten Potentialbereich. Die Zugabe von Niob verbessert nicht nur die Glasbildungsfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften, sondern erhöht weiterhin die Lochfraßbeständigkeit, selbst bei stark anodischer Polarisation. Bezüglich der Korrosionseigenschaften konkurriert die Nb-haltige fast einphasige glasartige Legierung mit β-phasigem Ti-40Nb. Weiterhin wurde gezeigt, dass an schmelzgeschleuderten Bändern der Legierung Ti75Zr10Si15 und Ti60Zr10Nb15Si15 eine thermische Oxidation erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die thermische Oxidation ist eine der einfachsten und kosteneffektivsten Möglichkeiten der Oberflächenmodifikation um die Eigenschaften der Oberflächen dieser Legierungen zu verbessern. In den ersten Tests zeigten die Bänder-Proben der ternären und der quaternären Legierung, die bei 550°C in synthetischer Luft oxidiert wurden, entsprechende Eigenschaften für Implantat-Anwendungen, d.h. hohe Härte, gute Benetzbarkeit und die Fähigkeit nach 10 Tagen Hydroxylapatit auf der Oberfläche zu bilden. Alle zuvor genannten Eigenschaften machen diese neuen glasbildenden Legierungen zu geeigneten Materialien für die Anwendung als verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung für Implantate.

The large elastic limit, the strength close to the theoretical limit, the excellent magnetic properties and good corrosion resistance of bulk metallic glasses (BMGs) make them promising for several applications such as micro-geared motor parts, pressure sensors, Coriolis flow meters, power inductors and coating materials. The main limitation of these materials is their reduced macroscopic ductility at room temperature, resulting from an inhomogeneous deformation concentrated in narrows shear bands. The poor ductility can be overcome by the incorporation of a ductile second phase in the glassy matrix to form composites, which exhibit a better balance between strength and ductility. Different types of BMG composites have been developed to date but considerable plastic strain during tensile or bending tests has been only obtained for composites with in-situ formation of the second phase during solidification. Among these in-situ formed composites, significant tensile ductility has been only observed for two types of alloys so far: TiZrBe-based and CuZr-based BMG composites. The former precipitate dendrites of the cubic β-(Ti,Zr) phase in the glass matrix, whereas the latter combine spherical precipitates of the cubic B2-CuZr shape memory phase within the glass. The CuZr-based BMG composites have certain advantages over the TiZrBe-based composites such as the absence of Be, which is a toxic element, and exhibit a strong work-hardening behaviour linked to the presence of the shape memory phase. This concept of “shape memory” BMG composites has been only applied to CuZr-based alloys so far. It is worth investigating if such a concept can be also used to enhance the plasticity of other BMGs. Additionally, the correlation between microstructure, phase formation and mechanical properties of these composites is still not fully understood, especially the role of the precipitates regarding shear band multiplication as well as the stress distribution in the glassy matrix, which should be significantly influenced by the precipitates. The aim of the present work is to develop a new family of shape memory bulk metallic glass composites in order to extend the concept initially developed for CuZr-based alloys. Their thermal and mechanical properties shall be correlated with the microstructure and phase formation in order to gain a deeper understanding of the fundamental deformation mechanisms and thermal behaviour. A candidate to form new shape memory BMG composites is the pseudo-binary TiCu-TiNi system because bulk glassy samples with a critical casting thickness of around 1 mm have been obtained in the compositional region where the cubic shape memory phase, B2-TiNi, precipitates. This phase undergoes a martensitic transformation to the orthorhombic B19-TiNi during cooling at around 325 K. The B2- and B19-TiNi exhibit an extensive deformation at room temperature up to 30% during tensile loading. Compositions in the Ti-Cu, Ti-Cu-Ni, Ti-Cu-Ni-Zr, Ti-Cu-Ni-Zr-(Si) and Ti-Cu-Ni-Co systems were selected based on literature data and on a recently proposed λ+Δh1/2 criterion, which considers the effect of atomic size mismatch between the elements and their electronic interaction. Samples were then produced by melt spinning (ribbons) and Cu-mould suction casting (rods and plates). The investigation started in the Ti-Cu system. A low glass-forming ability (GFA) was observed with formation of amorphous phase only in micrometer-thick ribbons and the results showed that the best glass former is located around Ti50Cu50. Considering that the GFA of the binary alloys can be further improved with additions of Ni, new Ti-Cu-Ni shape memory BMG composites were then developed in which the orthorhombic Ti(Ni,Cu) martensite precipitates in the glassy matrix. These alloys exhibit a high yield strength combined with large fracture strain and the precipitates show a reversible martensitic transformation from B19 to B2-type structure at a critical temperature around 320 K (during heating). The amorphous matrix stabilizes the high-temperature phase (B2 phase), which causes different transformation temperatures depending on whether the precipitates are partially or completely embedded in the glassy matrix. The deformation starts in the softer, crystalline phase, which generates a heterogeneous stress distribution in the glassy matrix and causes the formation of multiple shear bands. The precipitates also have the important function to block the fast movement of shear bands and hence retard fracture. However, the size of such composites is limited to 1 mm diameter rods because of their low GFA, which can be further improved by adding CuZr. New Ti-Cu-Ni-Zr composites with diameter ranging from 2 to 3 mm were developed, which consist mainly of spherical precipitates of the cubic B2-(Ti,Zr)(Cu,Ni) and the glassy phase. The interrelation between composite strength and volume fraction of B2 phase was analysed in detail, which follows the rule of mixture for values lower than 30 vol.% or the load-bearing model for higher values. The fracture strain is also affected by the volume fraction of the respective phases with a maximum observed around 30 vol.% of B2 phase, which agrees with the prediction given by the three-body element model. It was observed that the cubic B2 phase undergoes a martensitic transformation during deformation, resulting in a strong work hardening and a high fracture stress of these alloys. The GFA of the Ti-Cu -based alloys can be further increased by minor additions of Si. A maximum GFA is observed for additions of 1 and 0.5 at.% Si to binary Ti-Cu or quaternary Ti-Cu-Ni-Zr alloys, respectively. This optimum GFA results from the formation of a lower amount of highly stable Ti5Si3 precipitates, which act as nuclei for other crystalline phases, and the increased stability of the liquid and the supercooled liquid. The addition of Co has the opposite effect. It drastically decreases the GFA of Ti-Cu-Ni alloys and both the martensitic transformation temperature and their mechanical behaviour seem to correlate with the number and concentration of valence electrons of the B2 phase. The transformation temperature decreases by increasing the concentration of valence electrons. An excellent combination of high yield strength and large fracture strain occurs for Ti-Cu-Ni-Zr and Ti-Cu-Ni-Zr-Si alloys with a relatively low amount of CuZr, with a fracture strain in compression almost two times larger than the one usually observed for CuZr-based composites. For instance, the Ti45Cu39Ni11Zr5 alloy exhibit a yield strength of 1490±50 MPa combined with 23.7±0.5% of plastic strain. However, a reduced ductility was found for the CuZr-richer Ti-Cu-Ni-Zr compositions, which results from the precipitation of the brittle Cu2TiZr phase in the glassy matrix. The present study extends the concept of “shape memory BMG matrix composites” originally developed for CuZr-based alloys and delivers important insights into the correlation between phase formation and mechanical properties of this new family of high-strength TiCu-based alloys, which upon further optimization might be promising candidates for high-performance applications such as flow meters, sensors and micro- and mm-sized gears. / Auf Grund der hohen Elastizitätsgrenze, Festigkeiten, die nahe an der theoretischen Grenze liegen, sehr guten magnetischen Eigenschaften, sowie einer guten Korrosionsbeständigkeit erscheint der Einsatz massiver metallischer Gläser (BMG) vielversprechend in zahlreichen Gebieten, wie z.B. in Mikro-Getriebemotorteilen, Coriolis-Massendurchflussmessern, Drucksensoren, Speicherdrosseln und als Beschichtungsmaterialien. Der Einsatz dieser Materialien wird jedoch hauptsächlich durch ihre begrenzte makroskopische Duktilität bei Raumtemperatur eingeschränkt. Diese resultiert aus einer inhomogenen Verformung, die in schmalen Scherbändern konzentriert ist. Die unzureichende Duktilität kann durch das Einbringen einer zweiten, duktilen Phase in die Glas-Matrix verbessert werden, so dass Komposite gebildet werden. Diese Komposite weisen in der Regel immer noch hohe Festigkeiten auf, lassen sich aber gleichzeitig deutlich besser plastisch verformen. Es wurden bereits verschiedene Arten von massiven metallischen Glas-Matrix-Kompositen entwickelt. Jedoch konnte die plastische Verformbarkeit in Zug- oder Biegeversuchen nur in den Materialien erhöht werden, in denen sich die zweite Phase bei der Erstarrung ausscheidet. Unter diesen in-situ Kompositen konnte eine signifikante Duktilität lediglich für zwei Legierungstypen beobachtet werden: massive metallische Gläser auf TiZrBe- und auf CuZr-Basis. Die Ausscheidungen der kubischen β-(Ti,Zr) Phase wachsen dendritenartig in die Glas-Matrix, wohingegen sich in letzterem Legierungstypen sphärische Ausscheidungen der Formgedächtnislegierung, B2-CuZr, im Glas bilden. CuZr-Basislegierungen haben dabei den großen Vorteil, dass sie kein Be enthalten, welches toxisch ist. Außerdem weisen diese Komposite auch dank der Formgedächtnisphase eine starke Kaltverfestigung auf. Das Konzept, massive metallische Formgedächtnis-Glas-Matrix-Komposite herzustellen, um die mechanischen Eigenschaften zu optimieren, wurde bisher nur auf CuZr-Basislegierungen angewandt. Es soll mittels dieser Arbeit nun erforscht werden, ob dieses Konzept auf andere massive metallische Gläser übertragbar ist. Des Weiteren ist der Zusammenhang zwischen Gefüge, Phasenbildung und mechanischen Eigenschaften der Komposite noch nicht vollständig verstanden, insbesondere die Rolle der Ausscheidungen in Bezug auf die Scherbandbildung und die Spannungsverteilung in der Glas-Matrix. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Klasse massiver, metallischer Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite um das Konzept, welches ursprünglich für CuZr-Basislegierungen entwickelt wurde, zu erweitern. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften sollen mit dem Gefüge und der Phasenbildung in Beziehung gesetzt werden, um so die fundamentalen Verformungsmechanismen und ihre Ursachen besser zu verstehen. Der Ausgangspunkt bei der Herstellung neuer massiver metallischer Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite ist das pseudobinäre TiCu-TiNi-System. In diesem System konnten massive Glasproben mit einem kritischen Gießdurchmesser von circa 1 mm hergestellt werden und zwar in dem Zusammensezungsbereich, in dem die kubische Formgedächtnisphase, B2-TiNi, gebildet wird. Während der Abkühlung findet in diesen Kompositen bei etwa 325 K eine martensitische Umwandlung der B2-Phase zur orthorhombischen B19-TiNi Phase statt. B2- und B19-TiNi weisen eine gute Verformbarkeit von bis zu 30% bei Raumtemperatur unter Zugbelastung auf. Die hier erzeugten Ti-Cu, Ti-Cu-Ni, Ti-Cu-Ni-Zr, Ti-Cu-Ni-Zr-(Si) und Ti-Cu-Ni-Co-Legierungen basieren auf Literaturangaben und Vorhersagen bezüglich der Glasbildungsfähigkeit in diesen Systemen mittels λ+Δh1/2-Kriterium, welches die Auswirkungen der Atomgrößenunterschiede der Elemente und deren elektronische Wechselwirkung einbezieht. Die Proben wurden im Schmelzspinnverfahren (Bänder) und mittels Saugguss in einer Cu-Kokille (Stäbe und Bleche) hergestellt. Die Weiter- und Neuentwicklung von Legierungen, beginnt mit dem Ti-Cu-System. Die Glasbildungsfähigkeit in diesem binären System ist nur gering, so dass lediglich mikrometerdicke amorphe Bänder hergestellt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass der beste Glasbildner eine Zusammensetzung von etwa Ti50Cu50 hat. Die Glasbildungsfähigkeit von binären Legierungen kann durch die Zugabe von Ni weiter verbessert werden. Dies führte innerhalb dieser Arbeit zur Entwicklung neuer Ti-Cu-Ni Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite, in welchen die orthorhombische Martensitphase in der Glas-Matrix ausgeschieden wird. Diese ternären Legierungen zeigen eine hohe Zugfestigkeit in Kombination mit einer hohen Bruchdehnung. Beim Überschreiten einer Temperatur von etwa 320 K vollziehen die Ausscheidungen eine reversible martensitische Umwandlung vom B19- zum B2-Strukturtyp. Durch die amorphe Matrix wird die Hochtemperaturphase (B2 Phase) stabilisiert. Dies verursacht unterschiedliche Umwandlungstemperaturen im Kompositmaterial, die davon abhängig sind, ob die Ausscheidungen nur teilweise oder vollständig in der Matrix eingebettet sind. Die Verformung beginnt in der weichen kristallinen Phase, welche eine heterogene Spannungsverteilung in der Glas-Matrix erzeugt und eine hohe Dichte an Scherbändern in der Matrix verursacht. Die Ausscheidungen haben zudem die Funktion, die Ausbreitung der Scherbänder zu blockieren und das Versagen des Materials zu verzögern. Die Größe der Komposite ist jedoch auf Grund der geringen Glasbildungsfähigkeit auf einen Stabdurchmesser von ca. 1 mm begrenzt. Dies kann mit dem Zulegieren von CuZr verbessert werden. Es wurden hier auf diese Weise neue Ti-Cu-Ni-Zr Komposite entwickelt, deren Durchmesser zwischen 2 und 3 mm liegt. Diese bestehen hauptsächlich aus sphärischen Ausscheidungen der kubischen B2-(Ti,Zr)(Cu,Ni)- und der Glasphase. Die wechselseitige Beziehung zwischen der Streckgrenze und dem Volumenanteil der B2-Phase wurde im Detail untersucht. Für kristalline Volumenanteile kleiner als 30 Vol.-% folgt die Streckgrenze der Mischungsregel und für größere Volumenanteile dem „lasttragenden Modell“ (load bearing model). Die Bruchdehnung wird ebenfalls vom Volumenanteil der Phasen beeinflusst und zeigt ein Maximum bei etwa 30 Vol.-% an B2-Phase. Dies stimmt mit der Vorhersage des „Drei-Element-Modells“ überein. Es wurde festgestellt dass die kubische B2-Phase während der Verformung eine martensitische Umwandlung durchführt, was die starke Kaltverfestigung und die hohen Bruchspannungen dieser Legierungen zur Folge hat. Die Glasbildungsfähigkeit von TiCu-Basislegierungen kann im Gegenzug weiterhin durch geringe Si-Zusätze gesteigert werden. Hierbei tritt jeweils ein Maximum bei Zusätzen von 1 und 0,5 at-% Si zu binären Ti-Cu- oder zu quarternären Ti-Cu-Ni-Zr-Legierung auf. Das Optimum der Glasbildungsfähigkeit ist das Ergebnis sowohl eines geringeren Anteils hochschmelzender Ti5Si3-Ausscheidungen, die als Keimbildner für andere kristalline Phasen dienen, als auch der erhöhten Stabilität der Schmelze sowie der unterkühlten Schmelze. Der Zusatz von Co wiederum hat einen gegenteiligen Effekt. Er vermindert die Glasbildungsfähigkeit von Ti-Cu-Ni-Legierungen drastisch. Zudem scheinen sowohl die martensitische Umwandlungstemperatur als auch das mechanische Verhalten mit der Zahl und Konzentration der Valenzelektronen der B2-Phase zu korrelieren. Die Umwandlungstemperatur sinkt mit steigender Valenzelektronenkonzentration. Eine ausgezeichnete Kombination von hoher Streckgrenze und Bruchdehnung tritt für die Legierungen Ti-Cu-Ni-Zr und Ti-Cu-Ni-Zr-Si mit einem relativ geringen CuZr-Anteil auf. Die Bruchdehnung unter Druck ist fast zweimal höher als es für CuZr-Basis-Komposite gewöhnlich beobachtet worden ist. Die Legierung Ti45Cu39Ni11Zr5 zeigt beispielsweise eine Streckgrenze von 1490±50 MPa in Kombination mit einer plastischen Dehnung von 23,7±0,5%. Für die CuZr-reicheren Ti-Cu-Ni-Zr Zusammensetzungen wurde jedoch eine geringere Duktilität festgestellt, was das Resultat spröder Cu2TiZr-Ausscheidungen in der Glas-Matrix ist. Die vorliegende Arbeit erweitert folglich das Konzept der „Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite“, welches bisher auf CuZr-basierte Legierungen beschränkt war und liefert wichtige Einblicke in die Beziehung zwischen Phasenbildung und mechanischen Eigenschaften der neuen Klasse hochfester TiCu-Basislegierungen, welche nach weiterer Optimierung vielversprechend sein könnten für Hochleistungsanwendungen wie Durchflussmesser, Sensoren und mikrometer- und mm-große Antriebe.

This PhD thesis employed high energy synchrotron x-ray radiation to reveal atomic scale structural features occurring in plastically deformed Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 (Vit105) bulk metallic glass (BMG). The study is divided into three parts: Strain evolution during in-situ compression, strain distribution maps in mechanically-imprinted BMG, and residual strain around a single shear band. 1. Strain evolution during in-situ compression The structural rearrangements occurring during compressive deformation of a plastically deformable BMG showed that the elastic and plastic deformation of the BMG is correlated to the structural changes at short- (SRO) and medium range order (MRO). In the elastic regime, the atomic distances at SRO vary linearly with macroscopic stress. Analysis of the area under radial distribution function indicates that a small fraction of bonds in the first shell is broken in the loading direction whereas some new bonds are formed in the transverse direction. Atomic bonds at SRO appeared significantly stiffer than the MRO shells. Compared to the macroscopic values of the elastic strain, Young’s modulus and Poisson's ratio, both SRO and MRO appeared significantly stiffer, implying that the elastic behavior of the BMG is not only ruled by simple compression of the atoms/clusters but also is aided by rearrangement of atoms/clusters. The deviation of MRO atomic strain-stress correlation from linearity at the onset of plastic deformation was attributed to the activation of irreversible shear transformation zones. It was demonstrated by a strong shear strain value at the onset of yielding. This value is in good agreement with the reported value of the critical shear strain needed for activation of an irreversible STZ. The length scale of 12.5 Å indicated the largest shear strain and is probably the most effective length scale in the formation of STZs. The atomic pairs at SRO with smallest shear strain have the least contribution to the STZs. It was also indicated that the typical fracture angle of this BMG can be explained by the orientation of maximum shear strain at the onset of catastrophic shear band formation. 2. Strain distribution map in mechanically-imprinted BMG In mechanical imprinting, the BMG plate is loaded between two tools with a regular array of linear teeth and, as a result, a regular pattern of linear imprints is created on the surface of the plate. Mechanically imprinting results in considerable tensile plasticity of brittle Vit105 BMG plate. The distribution of hardness and Young’s modulus values at the transverse cross section of imprinted plate probed via nanoindentation revealed oscillating soft and hard regions beneath the surface. Spatially-resolved strain maps obtained via high-energy nano-size beam X-ray diffraction exhibited that the plastic deformation during imprinting creates a spatially heterogeneous atomic arrangement, consisting of strong compressive and tensile strain fields as well as significant shear strain fields in the cross section. It was shown that the heat treatment diminishes the heterogeneous structure resulting in brittle behavior in tension. The analysis of strain tensor components based on changes in the first diffraction maximum of the structure function, q1, revealed that Ɛx, the strain perpendicular to the loading direction, changes from the compressive at near to the surface to the tensile mode at the center of the imprinted plate. In contrast, the strain component along the loading direction, Ɛy, changes from tensile near the surface to the compressive at the center. Beneath the surface, Ɛx reaches to values about 1.5% under the imprints where there is a negligible Ɛy. The distribution map of principal strains, Ɛ1 and Ɛ2, indicated that large regions with compressive Ɛ1 and Ɛ2 exist under the imprints which can result in blocking of the propagating shear bands in agreement with microstructural observations of shear banding after uniaxial tension. Moreover, the region beneath the border of the imprinted and un-imprinted parts has the highest residual shear strain. Microstructural observations indicated that such regions can nucleate new shear bands upon tensile loading of imprinted BMG plate. 3. Residual strain around a single shear band In order to probe structural changes in the shear-induced zone around a single shear band, the distribution of residual strains at short- and medium-range order around a single shear band was determined in cold-rolled BMG plate using the nano-focused high energy x-ray diffraction. Plastic deformation results in significant residual normal and shear strains at distances of more than 15 μm around the shear band. The residual normal strains exhibit an asymmetric distribution whereas the residual shear strain is distributed symmetrically around the shear band. The large amount of residual atomic shear strain magnitude at the vicinity of the shear band triggers the nucleation of the new shear bands. The coincidence of the direction of the nucleating secondary shear bands from the main shear band with the orientation of the residual shear strain at the vicinity of the mature shear band highlight the dominant role of the shear strain in determining further plastic deformation at regions near the shear band. / Im Rahmen dieser Arbeit wird hochenergetische Synchrotron Röntgenstrahlung zum Aufzeigen der strukturellen Veränderungen in plastisch verformtem Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 metallischen Glas verwendet. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile: Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch, Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases, und Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes. 1. Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch Die während der Verformung auftretende strukturelle Neuordnung eines plastisch verformbaren metallischen Glases zeigt die Korrelation der elastischen und plastischen Verformung mit den strukturellen Änderungen in den Größenordnungen der Nah- (SRO) und mittelreichweitigen Ordnung (MRO). Im elastischen Bereich verändern sich die Atomabstände in der SRO linear mit der makroskopisch anliegenden Spannung. Die Untersuchung der Fläche unter der Radialen Verteilungsfunktion (RDF) deutet auf ein Aufbrechen eines geringen Anteils der Bindungen der ersten Schale in Druckspannungsrichtung und deren Neubildung quer dazu. Die atomaren Bindungen in der SRO erscheinen wesentlich steifer als in den MRO Schalen. Vergleicht man die Werte von elastischer Dehnung, E-Modul und Querkontraktionszahl mit ihren makroskopischen Gegenstücken erscheinen beide, SRO und MRO, wesentlich steifer. Dies zeigt, dass die elastische Verformung von metallischen Gläsern nicht nur von der einfachen Stauchung der Atome bzw. Atomgruppen bestimmt, sondern auch durch deren Neuanordnung unterstützt wird. Das Abweichen der Dehnungs-Spannungs-Korrelation vom linearen Verhalten in der MRO am Beginn der plastischen Verformung wird der irreversiblen Bildung von Schertransformations-zonen (STZ) zugeschrieben. Dies zeigt sich zudem in den erhöhten Scherdehnungswerten am Beginn der Dehngrenze, welche mit den in der Literatur berichteten Werten für die kritische Scherdehnung zum Bilden einer STZ übereinstimmen. Bei einem Atomabstand von 12,5 Å tritt der höchste Wert der Scherdehnung auf und markiert den effektivsten Längenbereich der STZ Bildung. Andererseits haben die atomaren Paare in der SRO mit der geringsten Scherdehnung den geringsten Beitrag an der STZ. Es zeigt sich außerdem, dass der typische Bruchwinkel dieses metallischen Glases über die Orientierung der maximalen Scherdehnung am Beginn der kritischen Scherbandbildung erklärt werden kann. 2. Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases Eine Prägung besteht darin, eine Platte metallischen Glases mit zwei Stempel, auf denen eine regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben angebracht ist, zu belasten. Dadurch wird eine ebenso regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben auf der Oberfläche des metallischen Glases erzeugt. Die plastische Verformbarkeit der Vit105 Platte im Zugversuch wird durch Prägung im Vergleich zur gegossenen Probe eindeutig verbessert. Die Untersuchung der Härte und des E-Moduls über den Querschnitt der geprägten Probe zeigt die Einbringung von Abwechselnd weichen und harten Regionen an der Oberfläche. Es wurden räumlich aufgelöste Dehnungskarten des geprägten metallischen Glases durch Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles erzeugt. Die Ergebnisse offenbaren, dass die durch Prägung eingebrachte plastische Verformung eine räumlich heterogene Atomanordnung erzeugt, welche aus starken Druck- und Zugdehnungsfeldern besteht. Zusätzlich wird eine signifikante Scherdehnung in die Probe eingebracht. Die Wärmebehandlung beseitigt diese heterogene Struktur und führt sie fast auf den Ausgangszustand zurück. Die Analyse der Dehnungstensorkomponenten basierend auf Änderungen im erstem Maximum des Strukturfaktors, q1, zeigt, dass sich Ɛx von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Stauchung in eine Dehnung umwandelt. Im Gegensatz dazu wandelt sich die Komponente Ɛy von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Dehnung in eine Stauchung um. An der Oberfläche unter den Eindrücken, wo Ɛy vernachlässigbar ist, erreicht Ɛx Werte von ca. 1.5 %. Die Verteilungskarten der Hauptdehnungen zeigt, dass beide e1 und e2 unterhalb der Kerben als Stauchungen vorhanden sind. Daraus resultiert das Blockieren und Ablenken der sich ausbreitenden Scherbänder, was an Zugproben im REM beobachtet werden kann. Weiterhin hat der Bereich an der Grenze der geprägten und nicht geprägten Regionen die höchste Restscherdehnung. Mikrostrukturelle Beobachtungen deuten darauf hin, dass solche Bereiche unter Zuglast Keimstellen für neue Scherbänder sind. 3. Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes Es wurde ein einzelnes Scherband einer kaltgewalzte Platte mittels Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles untersucht. Die strukturellen Unterschiede in der scherinduzierten Zone um ein einzelnes Scherband werden durch die Verteilung der Restdehnungen in SRO und MRO bestimmt. Plastische Verformung führt zu signifikanten Restnormal- und Restscherdehnungen in Entfernungen von mehr als 15 µm um das Scherband. Die Restnormaldehnungen zeigen eine asymmetrische Verteilung, wohingegen die Restscherdehnungen auf beiden Seiten des Scherbandes symmetrisch verteilt sind. Der große Betrag der atomaren Restscherdehnung in der Nähe des Scherbandes führt zur Bildung von neuen Scherbändern. Das Zusammenfallen der Richtung des sich bildenden sekundären Scherbandes und der Orientierung der Restscherdehnung, in der Nähe des primären Scherbandes, demonstriert die dominierende Rolle der Scherdehnung bei weiterer plastischer Verformung in der Nähe des Scherbandes.

Early developed non-bulk Fe-based glasses, e.g. Fe-Cr(-Mo)-metalloid(s), exhibit extraordinary corrosion resistance, but low glass formation ability (GFA). Newly developed bulk glass-forming Fe-based alloys have on the contrary high GFA, but also very different compositions and therefore their corrosion behaviour is expectedly not similar. Fundamental investigations regarding corrosion behaviour were performed for one of the most prominent bulk glassy alloy, namely (Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5. Particularly, the free corrosion and the anodic polarization behaviour, the passivation ability and the pitting susceptibility have been assessed in electrolytes with varying pH values and anion species concentrations. Due to its monolithic single phase microstructure this alloy has a much lower corrosion rate in acids than a two-phase conventional steel (DIN X210Cr12) with much higher content of passivating Cr, i.e. 11.4 at. %. However, the high concentration of electrochemically active Mn and B as well as the unfavourably high Mo to Cr concentration ratio determine a higher corrosion rate of this bulk glassy alloy in strong alkalis and also a very poor passivation ability in acids. On the contrary, the high content of Mo has a positive influence on the pitting resistance by inhibiting very effectively the propagation of pits occurring at Y2O3 inclusions. Detailed microscopic analysis investigations by HRSEM and in-situ AFM revealed the formation of characteristic morphological features at the micro- and nanometre scale on the surface of samples exposed to acidic solutions. These were explained by selective dissolution of active elements, e.g. Mn, B. This study demonstrated the necessity to investigate the corrosion properties of newly developed bulk glass-forming Fe-based alloys – they are not per-se highly corrosion resistant, but their corrosion behaviour depends on their particular chemical composition. / Früh entwickelte, nicht-massive amorphe Eisenbasislegierungen, z.B. Fe-Cr(-Mo)-Metalloid(e), zeigen bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit, aber niedrige Glasbildungsfähigkeit (englisch: glass-forming ability, GFA). Neu entwickelte massiv-glasbildende Eisenbasislegierungen haben im Gegenteil eine höhere GFA, aber auch sehr unterschiedliche Zusammensetzungen und deshalb ist ihr Korrosionverhalten ist wie zu erwarten nicht änlich. Grundlegende Untersuchungen des Korrosionsverhaltens einer der bekanntesten massiven amophen Legierung, nämlich (Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5, wurden vorgenommen. Insbesondere wurde das Augenmerk auf das freie Korrosions- und das anodische Polarisationsverhalten, die Passivierungseigenschaften und die Anfälligkeit gegenüber Lochfraß in Elektrolyten mit verschiedenen pH-Werten und Anionenkonzentrationen gerichtet. Aufgrund ihres einphasig monolitischen Gefüges zeigt diese Legierung in Säuren eine viel niedrigere Korrosionsgeschwindigkeit als die eines zweiphasigen herkömmlichen Stahls (DIN X210Cr12) mit viel höherem Gehalt an passivierendem Cr, d.h. 11.4 at.%. Der höhere Gehalt an electrochemisch aktivem Mn und B sowie das nachteilige Verhältnis von Mo zu Cr Konzentration sind für eine höhere Korrosionsgeschwindigkeit dieser massiven amorphen Legierung in konzentrierten Alkalien sowie eine geringere Passivierungsfähigkeit in Säuren verantwortlich. Der hohe Gehalt an Mo hat jedoch einen positiven Einfluss auf die Lochfraßbeständigkeit – er hindert sehr wirksam das Wachstum der an Y2O3-Einschlüssen gebildeten Löcher. Detaillierte mikroskopische Untersuchungen durch HRSEM und in-situ AFM zeigten die Bildung charakteristischer Morphologien im Mikrometer- und Nanometerbereich auf der Oberfläche von Proben, die starken Säure ausgesetzt waren. Dieses wurde durch selektive Auflösung aktiver Elemente, z.B. Mn, B, erklärt. Diese Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit, die Korrosionseigenschaften der neu entwickelten, massivglasbildenden Eisenbasislegierungen zu untersuchen – diese sind nicht per-se „hochkorrosionsbeständig“, stattdessen hängt ihr Korrosionsverhalten vielmehr von ihrer besonderen chemischen Zusammensetzung ab.