Thermophysical and structural properties of the equilibrium and undercooled melt of bulk metallic glasses investigated by electrostatic levitation

Abstract

Upon quenching a liquid into a glass, its viscosity increases drastically. A "strong" liquid is characterised by an Arrhenius-like temperature dependency of the viscosity with a temperature independent activation energy. For a "fragile" liquid, the activation energy increases monotonically. In many bulk metallic glasses (BMGs) both strong and fragile behaviour can be observed at different temperatures. However, most of these strong-to-fragile crossovers take place in the undercooled state, where experimental data is rare because this region is masked by crystallisation. This fact and the chemical reactivity of metallic melts make investigations of an underlying transition and of accurate melt viscosities experimentally challenging. In this work, electrostatic levitation was used for investigations of Zr-based BMGs, providing precise high temperature data over a broad temperature range and enabling access to the deeply undercooled melt. With this new data, we confirmed that the investigated BMGs exhibit different fragilities. Studies of the undercooled melt revealed indications for a transition in specific heat capacity and in local structure changes at the same temperature. These indications are associated with a structural transition and are attributed to be the origin of the difference in fragility. The underlying mechanism may be due to a liquid-liquid transition. Whether there are chemical composition changes in the different liquid phases is subject to further studies.

Beim Abschrecken einer Flüssigkeit in den Glaszustand steigt die Viskosität drastisch. Eine "starke" Flüssigkeit ist gekennzeichnet durch eine Arrheniusartige Temperaturabhängigkeit der Viskosität und eine temperaturunabhängige Aktivierungsenergie. Eine "fragile" Flüssigkeit weist eine monoton steigende Aktivierungsenergie auf. Viele metallische Massivglas (MMG) Bildner zeigen sowohl "starkes" als auch "fragiles" Verhalten bei verschiedenen Temperaturen. Allerdings finden die meisten dieser Übergänge in der unterkühlten Schmelze statt, wo aufgrund von Kristallisation kaum experimentelle Daten verfügbar sind. Dieser Umstand und die chemische Reaktivität metallischer Schmelzen erschweren Untersuchungen zugrunde liegender Übergange sowie präzise Viskositätsdaten. In dieser Arbeit wurde Elektrostatische Levitation genutzt um Zr-basierte MMG zu untersuchen, da sie über einen großen Bereich präzise Hochtemperaturdaten sowie Zugang zu unterkühlten Schmelzen liefert. Es wurde bestätigt, dass die untersuchten MMG unterschiedliche Fragilitäten aufweisen. Untersuchungen der unterkühlten Schmelze zeigten Hinweise auf einen Übergang in der spezifischen Wärmekapazität und in Strukturänderungen bei derselben Temperatur. Diese Hinweise wurden mit einem strukturellen Übergang assoziiert und als Ursache der verschiedenen Fragilitäten angenommen. Der zugrunde liegende Mechanismus könnte ein Flüssig-Flüssig-Übergang sein. Ob Entmischung dabei eine Rolle spielt, ist Gegenstand weiterer Forschung.