MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■0820  ▼a621
■1001  ▼aLund,  Ethen  T.
■24510▼aDuctility  and  Deformation  in  Bulk  Metallic  Glass
■260    ▼a[Sl]▼bYale  University▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a127  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Schroers,  Jan.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Yale  University,  2025.
■520    ▼aBulk  metallic  glasses  (BMGs)  are  a  unique  engineering  material  that  combine  excellent  strength  and  elasticity,  often  paired  with  high  fracture  toughness  and  high  precision  formability  for  manufacturing.  These  attributes  have  made  them  valuable  in  a  range  of  applications,  including  biomedical,  energy,  aerospace,  and  consumer  products.  However,  these  materials  exhibit  a  range  of  fracture  toughness  values,  a  material  property  associated  with  flaw  tolerance  and  often  approximated  by  ductility,  posing  a  hurdle  to  technological  adoption.  High  ductility  and,  importantly,  the  accurate  prediction  of  ductility,  are  necessary  for  load-bearing  structural  materials,  as  they  prevent  the  unexpected,  catastrophic  failure  of  materials.  Despite  this  importance  and  much  on-going  research,  a  complete  understanding  of  ductility  in  BMGs  is  presently  lacking,  in  large  part  due  to  the  complexity  of  the  structure-process-property  relationship  in  amorphous  materials.  This  thesis  addresses  the  control  and  predictability  of  ductility  in  bulk  metallic  glasses,  rooted  in  the  structure  of  the  material  itself,  via  three  projects:  1)  the  formulation  of  a  framework  for  predicting  ductility  based  on  characterizations  of  deformation,  2)  the  technological  development  of  a  thermo-mechanical  process  to  improve  ductility,  and  3)  a  mechanistic  study  of  the  brittle-to-ductile  transition  with  temperature  and  strain  rate.  These  are  presented  in  chapters  2,  3,  and  4  respectively.Chapter  2  proposes  a  definition  of  ductility  that  would  enable  prediction  of  BMG  plasticity.  This  definition  and  framework  are  based  on  the  material's  tolerance  to  non-uniform  applied  stresses,  and  characterizations  are  performed  to  determine  these  tolerances  for  multiple  compositions  at  room  temperature.  To  accomplish  this,  a  novel  method  is  demonstrated  for  measuring  ductility  in  compression  and  tension.  These  measurements  are  described  in  terms  of  the  stability  of  the  shear  band,  wherein  the  applied  stress  is  competing  with  the  strength  of  the  material  to  either  accelerate  or  halt  the  growth  of  the  shear  band.  This  framework  offers  the  prospect  of  predicting  the  material's  ability  to  accommodate  plastic  strain  via  stable  shear  bands,  i.e.  ductility,  and  suggests  a  route  towards  improving  the  ductility  in  service  of  any  composition  of  BMG  by  precisely  controlling  the  gradients  of  applied  stresses.In  chapter  3,  an  experimental  method  is  introduced  and  developed,  referred  to  as  excited  liquid  cooling,  to  improve  the  ductility  of  a  BMG.  There,  a  BMG  is  heated  to  the  visco-plastic  supercooled  liquid  temperature  range  before  being  simultaneously  pulled  at  a  high  strain  and  cooled  to  below  the  glass  transition  temperature.  In  doing  so,  changes  are  introduced  to  both  the  macroscopic  geometry  of  the  workpiece  and  the  microscopic  structure  of  the  alloy.  Macroscopically,  the  workpiece,  initially  a  rod,  is  drawn  out  into  a  wire,  with  a  reduction  in  diameter  of    90%.  Of  greater  scientific  interest,  however,  the  microstructure  of  the  BMG  is  altered,  with  a  significant  increase  in  free  volume  within  the  material,  a  measure  of  the  average  spacing  between  atoms  in  the  amorphous  solid.  This  occurs  because  the  material  dilates  due  to  the  mechanical  strain  during  pulling,  and  this  dilated  structure,  although  energetically  unfavorable,  is  frozen  into  the  structure  via  the  simultaneous  cooling.  In  turn,  the  higher  free  volume  material  exhibits  greater  ductility  in  bending.  The  process  is  described  systematically  in  terms  of  temperature  and  strain  rate,  the  resultant  effects  on  the  material  are  characterized  via  thermal  and  mechanical  methods,  and  the  underlying  theory  is  described  in  terms  of  competing  time  scales  and  potential  energies.  Finally,  strategies  are  outlined  for  scaling  this  technique  to  larger,  more  complex  geometries.Chapter  4  describes  ductility  and  deformation  of  BMGs  across  temperatures  and  strain  rates  in  uniaxial  tension.  Specifically,  it  looks  at  bridging  the  two  extreme  ends  of  deformation  and  failure:  brittle  failure  where  only  a  small  fraction  of  atoms  undergo  deformation  (those  within  the  shear  band)  and  ductile  necking  failure  where  approximately  all  atoms  undergo  the  same  deformation  in  the  necking  region  prior  to  failure.  Using  both  experimental  and  computational  methods,  the  combined  effects  of  temperature  and  strain  rate  on  this  brittle-to-ductile  transition  are  observed  and  parameterized.  The  transition  is  described  at  the  particle  scale,  and  an  intermediate  deformation  mode  is  observed.  In  this  sense,  it  serves  to  inform  processing  strategies  like  those  described  in  chapter  3  but  also  serves  to  better  predict  service  behavior  of  BMGs  in  higher  temperature,  dynamic  loading  conditions.  Finally,  it  offers  a  new  mechanistic  insight  of  dilation  driven  deformation,  suggesting  that  constitutive  modeling  of  BMG  deformation  at  high  temperatures  should  work  to  include  this  facet  to  most  robustly  capture  real  behavior.In  summary,  this  dissertation  advances  our  collective  understanding  and  control  of  ductility  in  BMGs  through  experimental,  computational,  and  theoretical  work.  Efforts  are  made  to  ground  these  findings  in  the  structure-process-property  relationship  of  BMGs,  where  the  processing  history  of  the  material  governs  the  structure  of  the  atoms  which  in  turn  dictates  the  properties  and  performance  of  the  material  under  characterization.  These  continuous  advancements  in  BMG  ductility  will  serve  to  open  new  applications  for  these  materials  in  service.
■590    ▼aSchool  code:  0265.
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■71020▼aYale  University▼bMechanical  Engineering  and  Materials  Science.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-12B.
■790    ▼a0265
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17356742▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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