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2014年第4期 总第004期 11月
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非晶合金中流动单元与室温塑性变形的研究进展

  晶体物质的很多性质和特征与其缺陷的运动有紧密联系。非晶态物质是复杂的多体相互作用体系,具有短程有序,长程无序的原子结构和独特的物理和力学性质。但是,非晶固体是否存在类似晶体的缺陷,如何发现、表征并建立非晶中流动单元与其类型、性质和特征的关系仍然是凝聚态物理和材料科学的难题。要深入研究和理解非晶合金中的变形机制,首先就要研究其微观结构特征。在晶体材料中,塑性变形通过缺陷的运动来实现,但是非晶中的原子排列长程无序,没有平移对称性,在结构无序中寻找缺陷显得尤为困难。另一方面,制约非晶合金大规模商业应用的关键问题除了尺寸之外,最重要的就是金属玻璃往往表现出室温的脆性。在低温和常温下,金属玻璃的塑性变形集中在剪切带中,导致加工软化和缺乏明显的宏观拉伸塑性。为了解决这个问题,需要探索金属玻璃的塑性变形机制,而且需要研究如何通过工艺手段调节金属玻璃里面的结构,使得金属玻璃实现韧脆转变。
  关于非晶合金的塑性变形机制,国内外研究组提出了一些理论模型,例如剪切转变区域模型、自由体积模型等, 但是这些模型很难将非晶的宏观性能与非均匀的结构特征有效地联系起来。最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件物理重点实验室汪卫华研究组以金属玻璃为主要研究体系,在非晶合金塑性形变和玻璃弛豫关系的结构起源研究领域开展工作,并取得了许多成果。 他们最近的实验和计算机模拟显示,在非晶合金中存在动力学特性和基底不同的流动单元, 这些流动单元具有较高的自由能、较低的密度和粘弹性等流动特性。这些类液体区域即流动单元,类似晶体中的缺陷,可以通过施加应力或者加温激活,且这些激活的流动单元之间有相互作用,并且可以承载非晶合金中的塑性变形,最终可以实现非晶合金的塑性变形或者固液转变。 美国的一个研究组最近通过球差校正透射电镜直接观测到玻璃中的类液体流动区域。
  最近,汪卫华研究组白海洋研究员、博士研究生鲁振等发展了一种简单,但很有效的调制非晶结构和流动单元的方法--室温缠绕法(mandrel winding method). 该方法通过施加径向的应力,可以方便、有效地调制非晶中的流动单元浓度,实现非晶合金中的室温塑性变形,同时避免产生剪切带,是一种只有纯形变单元承载形变的均匀形变过程, 并且有足够的时间窗口来测量流动单元浓度的变化与宏观性能变化的关系。这种方法可以研究和确定一个非晶体系流动单元的激活能、体积、 激活时间、 分布‘弛豫时间等重要参量。 他们用该方法系统研究了不同体系金属玻璃的塑性变形和玻璃转变温度、弛豫以及随时间的变化。研究发现,通过施加相同的恒定应变,金属玻璃在室温情况下的均匀塑性应变和其玻璃转变点Tg的高低有反向关联,即Tg点越高,金属玻璃的塑性形变量越小。通过长时间保持恒定的应变,可以使几乎所有金属玻璃都能实现室温的塑性形变。具有明显β弛豫的金属玻璃具有更多的流动单元,通过退火的方式得到了金属玻璃塑性形变大小和β弛豫、流动单元之间的关系。同时还发现非晶的动力学本征缺陷——流动单元与时间密切相关。通过施加不同时间的应变,利用麦克斯韦粘壶模型,系统研究了流动单元弛豫时间和塑性形变之间的关系,得到了流动单元弛豫时间和激活能谱。该项工作证明可以通过调节金属玻璃中的缺陷——流动单元的数量、激活能,延长施加应变时间可以使金属玻璃实现韧脆转变和非晶态到液态的转变。文章还给出均匀流变和非晶结构、时间的关系图。 这个简单方法为研究非晶的非均匀性、 形变机制等问题提供了新的途径和思路。
  相关结果发表在 Phys. Rev. Lett. 113,045501 (2014)上。
  文章链接
  http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.045501
  本项研究工作得到国家自然科学基金项目、973项目和中国科学院的资助。
附图:

图1:两种方式缠绕金属玻璃示意图。扫描图片发现,解开缠绕之后,金属玻璃条带表面并未发现剪切带,表明通过这种方式缠绕可以实现金属玻璃均匀塑性变形。
图2:不同体系金属玻璃塑性变形和玻璃转变温度以及流动单元激活能之间的关系。
图3:金属玻璃中β弛豫强度、退火时间和塑性变形之间的关系。
图4:缠绕时间和金属玻璃塑性形变之间的关系。
图5:金属玻璃中流动单元数量、流动单元激活能、时间和韧脆转变关系示意图。可以通过调节金属玻璃中流动单元数量、激活能,改变施加应变时间来实现金属玻璃中的韧脆转变。
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