Mechanical behaviour of Zr‐based metallic glass in indentation

Presented By: Vaibhav Phadnis

Vahid NekouieGayan Abeygunawardane‐Arachchige

Anish RoyVadim Silberschmidt

Wolfson School of Mechanical & Manufacturing Engineering, Loughborough UniversityUta Kühn

IFW/Dresden

1

Introduction & Motivation

Metallic glass shows unique mechanical properties Evidence of length scale effects Deformation mechanisms of metallic glass are unique

plastic shear flow in the microscale, but brittle fracture in macroscale deformation induced ductilization

Ultimate goal is to predict component deformation under macroscopically homogeneous loads

2

BMG Material

BMG alloy manufactured at IFW/DresdenZr48Cu36Al8Ag8  Samples: 70 mm × 10 mm × 2 mm ; 40 mm × 30 mm × 1.5 mm

3NCRC Confidential & Privileged Information - Copyright, NCRC, 2007

Outline: Mechanical characterisation of the BMG alloy Macroscale Microscale Nanoscale

Constitutive material modelling and Finite Element Analysis

Macroscale

Bending Tests Elastic Modulus Poisson’s ratio

DMA

4

E [GPa] ν Tg [°C]

In‐house experiments 80 – 86 0.34 – 0.35 425 ± 3

Date from IFW 98 – 102 430 ± 3

Literature 115 417

5ISMANAM 2013

Crystalline phase

XRD results show :

(i) The structure of the metallic glass is not completely amorphous.

(ii) There are crystalline phases in the materials and these phases are not

uniformly dispersed in the materials.

Macroscale

XRDCrystalline phase

6

Nano/Micro Test  (Micro Materials Ltd.)

Tests performed:

Nano and Micro‐indentation

Load rate: (0.1, 1, 2,10 mN/s)

Cyclic loading

Spherical Indenter 

Micro: r = 50 μm

Nano:  r = 5 μm

Nano‐Micro indentation studies

Sample is cut Polished Zygo Talisurf

Ra = 2 to 3 nm

7NCRC Confidential & Privileged Information - Copyright, NCRC, 2007

NanoindentationLoading Rate = 0.1 mN/sec

Cyclic loading was performed to determine initiation of plastic deformation (pop‐in) 

Load = 2 mN

Fully Elastic deformation

Load = 3 mN

Initiation of plasticity 

8NCRC Confidential & Privileged Information - Copyright, NCRC, 2007

NanoindentationLoading Rate = 0.1 mN/sec

Cyclic loading was performed to determine initiation of plastic deformation (pop‐in) 

Pop‐in

Nanoindentation

10

Nanoindentation

130 mN 190 mN 220 mN

Maximum load 275 mN

220 mN

190 mN

130 mN

11

MicroindentationLoad/partial unload technique3 cycles of loading‐unloadingMax load = 15 NLoading rates = 1 mN/s, 2 mN/s and 10 mN/s, 

Microindentation: SEM

Load < 10 NNo shear bands visible 

12

13

10 mN/s

1 mN/s

Microindentation: SEM

14

Indentation Depth (µm) Reduced Modulus (GPa) Young modulus (GPa) Hardness (GPa)1.1 87 82 4.811.5 90 86 5.221.8 88 84 5.072.3 95 90 5.56

Microindentation results

Properties

Cycle Indentation depth(m)

Reduced Modulus(GPa)

Young  modulus(GPa)

1 6.2 54 47

2 12.5 50 43.5

3 19.4 46 40.02

Load rate 1 mN/s  Load rate 2 mN/s 

Cycle Indentation depth(m)

Reduced Modulus(GPa)

Young  modulus(GPa)

1 6.2 48 41.7

2 12.1 40 34.8

3 18.2 38 33.06

Nanoindentation results

Load rate 10 mN/s 

Cycle Indentation depth(m)

Reduced Modulus(GPa)

Young  modulus(GPa)

1 5.7 48.03 41.8

2 10.6 39.8 34.6

3 15.3 36.2 31.5

MODELLING OF INDENTATION/Finite Element Modelling

15NCRC Confidential & Privileged Information - Copyright, NCRC, 2007

Microscale modelling Mohr‐Coulomb: hydrostatic stress component is considered. 

the normal stress component on the shear plane is important!

MSC Marc 2012 is used to modelLinear MC criterion is used: 

/Here:     and

To calculate,  and /: /

and    sin

16NCRC Confidential & Privileged Information - Copyright, NCRC, 2007

17

Spherical Indenter Radius: 50 μm

FE Model Dimension: (90 × 90 × 100) µm

Displacement Given to Indenter: 4 µm to 10 µm

Initial # of Elements: 4000Element type: Eight noded hex elements (Type 7)

Spherical Indenter: Analytical Rigid Body

Local Adaptive remeshing: Nodes Within a Box, Cylinder or Sphere Criterion

FE modelQuarter Model, use of symmetry planes

BC: bottom rigid

High Performance Computing – Hydra Cluster

• 161 Computer nodes.

• 1956 core 64 bit Intel Xeon cluster.

• Each having two 6‐core Intel Westmere Xeon X5650 CPUs + 24GB of memory.

• Time taken to finish the Analysis: 2 Hours

• Number of cores – 12.

18

Shear Stress Variation Normal Stress Variation

FE model: Results

End of Loading End of Unloading

19

FE model: Results

E (GPa) σ' (MPa) µ α

38 1500 0.2 0.02

Outlook: Why is there such a significant reduction in Modulus?

Shear bands ‘break up’ the amorphous material into islands of amorphous MG The shear bands help ‘slip’ these islands under macroscopic loads This will reduce the reaction force on the indenter ►reduced stiffness from experiments Material Damage needs to be characterised [in macroscopic modelling] 

20NCRC Confidential & Privileged Information - Copyright, NCRC, 2007

Outlook

MC model is not appropriate for the BMG under study The process of deformation induces damage in the material. This damage needs to be characterised in the constitutive behaviour of the material. A gradient plasticity based approach is currently being developed to capture the effect of the local shear bands

21NCRC Confidential & Privileged Information - Copyright, NCRC, 2007

Indentation Profile: Cycle 1 loading‐unloading

22

Distance from the Indentor Axis (μm)

Inde

ntation De

pth (μm)

‐12

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Indentor at Full displacement

Indentor Fully Extracted