Study of relaxation phenomena and local structure evolution in metallic glasses by means of Mössbauer and mechanical spectroscopy

Abstract

(English) New research shows that global demand for alloys with unique properties for various applications increased drastically, and among all them the demand for high entropy and metallic glasses in the industry is increasing at a rate of 8.4% until 2024. High entropy and metallic glass alloys are two different classes of materials with unique properties. High entropy alloys (HEAs) are multicomponent solid-solutions of several elements, all of them in equal or near-equal atomic percent, this leading to a high entropy of mixing. Metallic glasses (MGs) are obtained by fast-quenching of metallic melt, avoiding crystallization and obtaining a metallic solid with a liquid-like atomic-scale structure. According to previous studies, the relative simplicity of the metallic bonding makes these materials adequate for fundamental studies on the glassy state and glass transition-related phenomena. On the other hand, metallic glasses show some superior properties with respect conventional crystalline alloys; metallic glasses have exceptionally high elastic limit and resilience, and an extremely low loss coefficient. These properties combined with the lack of microstructural defects and grain boundaries make metallic glasses good candidates for manufacturing small components and micro-electro-mechanical devices. Moreover, the use of these systems in real applications requires good corrosion resistance, and together with their outstanding mechanical properties, such as excellent wear resistance, high strength and exceptional ductility, make them an excellent choice for industrial applications.
 In this Ph.D. thesis, we report the production of new HEMGs within the (FeCoCrNi)100-x-yBxSiy compositional system. The role of B and Si in the formation of (FeCoCrNi)100-x-yBxSiy high-entropy metallic glasses and their thermal properties are studied. The microstructural evolution has been studied by X-ray diffraction and Transmission Mössbauer Spectroscopy, Also, the mechanical properties of the samples have been studied by Nanoindentation and give us an excellent view of hardness, elastic modulus, and wear resistance of each sample. Eventually, the electrochemical behaviour of these alloys was studied by means of linear polarization resistance (LPR) measurements and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in a 3 wt.% NaCl solution. The effect of corrosion was characterized by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the surface morphology was checked using a scanning electron microscope (SEM). (Español) Nuevas investigaciones muestran que la demanda mundial de aleaciones con propiedades únicas para diversas aplicaciones aumentó drásticamente y, entre todas ellas, la demanda de vidrios metálicos y de aleaciones de alta entropía en la industria está aumentando a una tasa del 8,4 % hasta 2024. Las aleaciones de vidrio metálico y de alta entropía son dos clases diferentes de materiales con propiedades únicas. Las aleaciones de alta entropía (HEA, por sus siglas en inglés) son soluciones sólidas multicomponente de varios elementos, todos ellos en un porcentaje atómico igual o casi igual, lo que conduce a una mezcla de alta entropía. Los vidrios metálicos (MG) se obtienen mediante el enfriamiento rápido de la masa fundida metálica, evitando la cristalización y obteniendo un sólido metálico con una estructura a escala atómica similar a la de un líquido. Según estudios previos, la relativa simplicidad del enlace metálico hace que estos materiales sean adecuados para estudios fundamentales sobre el estado vítreo y los fenómenos relacionados con la transición vítrea. Por otro lado, los vidrios metálicos muestran unas propiedades superiores respecto a las aleaciones cristalinas convencionales; los vidrios metálicos tienen un límite elástico y una resiliencia excepcionalmente altos, y un coeficiente de pérdida extremadamente bajo. Estas propiedades combinadas con la falta de defectos microestructurales y límites de grano hacen que los vidrios metálicos sean buenos candidatos para la fabricación de componentes pequeños y dispositivos microelectromecánicos. Además, el uso de estos sistemas en aplicaciones reales requiere una buena resistencia a la corrosión y, junto con sus excelentes propiedades mecánicas, como excelente resistencia al desgaste, alta resistencia y excepcional ductilidad, los convierten en una excelente opción para aplicaciones industriales.
 En esta tesis doctoral, se muestra la producción de nuevos HEMG dentro del sistema de composición (FeCoCrNi) 100-x-yBxSiy. Se estudia el papel del B y el Si en la formación de vidrios metálicos de alta entropía (FeCoCrNi)100-x-yBxSiy y sus propiedades térmicas. La evolución microestructural ha sido estudiada por difracción de rayos X y Espectroscopía de Transmisión Mössbauer. Además, las propiedades mecánicas de las muestras han sido estudiadas por Nanoindentación y nos dan una excelente visión de la dureza, módulo elástico y resistencia al desgaste de cada muestra. Finalmente, se estudió el comportamiento electroquímico de estas aleaciones mediante mediciones de resistencia de polarización lineal (LPR) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) en una solución de NaCl al 3% en peso. El efecto de la corrosión se caracterizó mediante el uso de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la morfología de la superficie se verificó mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM).