PNAS：利用分子模擬理解非晶蠕變機理

【引言】

變形和流動是許多材料的流變行為的基礎。對于從分子角度理解蠕變，長期以來都有一個挑戰，那就是了解組成原子在局部壓力和溫度下如何單獨或集體重排。關于非晶材料的蠕變實驗已經被廣泛報道了，然而應力和溫度對蠕變的影響與潛在的微觀過程之間的關系仍然是一個懸而未決的問題。

【成果簡介】

近日，麻省理工學院的Sidney Yip教授（通訊作者）等人在PANS上發表了題為“Understanding the mechanisms of amorphous creep through molecular simulation”的文章。在這篇文章中，使用基于微動力學的原子方法來模擬在金屬玻璃薄膜中蠕變的分子過程。通過分析原子應變的時空演化和非原子位移，揭示了非晶態蠕變對應力和熱激活的原子級變形和流動過程的細節。從模擬結果來看，空間分辨率隨著時間的增加而在時間上以納秒級的速度遞增，從而得到了蠕變率隨著應力的眾所周知的變化的機理解釋。研究者們還構造了一個變形圖，描繪了低應力和高溫下的擴散蠕變以及高應力下的變形蠕變的主要狀態。研究結果驗證了非晶可塑性機制的兩個原始模型的相關性：一個側重于通過自由體積的原子擴散，另一個側重于應力引起的剪切變形。發現這些過程是通過動態非均勻波動非線性耦合的，這種波動表征了系統超出平衡狀態的緩慢動態。

【圖文導讀】

圖一：模擬蠕變曲線

應力198MPa，溫度0.68Tg時，系統應變ε隨時間演變的趨勢。

圖二：模擬蠕變曲線

在0.68Tg的溫度和指定的應力水平下模擬蠕變曲線。

圖三：蠕變機制圖顯示歸一化應力溫度區域的優勢

μ代表材料的彈性模量。 模擬數據被表示為圓圈（n <2）和正方形（n> 5）。 紅色的虛線表示將主要剪切變形（STD）機制與原子擴散機理區域分開的邊界。 還顯示了具有菱形（n> 5）和十字（n?1）的實驗數據（9）。

【小結】

在這篇文章中，作者通過研究來量化模型金屬玻璃中穩態蠕變的分子機制。在低應力和高溫下，主要機制是熱激活的粒子流動；而在高應力下，機制是更為復雜的應力增強局部剪切變形和原子擴散過程。將這些過程聯系起來就可以解釋實驗觀察到的非晶蠕變的應力和溫度變化，以及單粒子擴散和集體原子重排。這種觀點促使人們重新審視現有的動態異質性概念和緩慢驅動的閾值體系中的自組織變體，以評估各種理論框架，如STZ理論、擴展的模態耦合形式、弱化機制的平均場方法、時變過渡理論建模等。

文獻鏈接：Understanding the mechanisms of amorphous creep through molecular simulation（PANS，2017，DOI: 10.1073/pnas.1708618114）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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