Nano Lett.：實驗和模擬條件下非晶合金中單一剪切帶上應力分布情況

【引言】

由于剪切帶的形成和擴展的快變動力學特征，以及非晶合金中塑性流變的基本單元—— 剪切形變區(STZs)具有的極小時間尺度和空間尺度，對剪切帶的納米尺度機制闡釋一般依靠分子動力學模擬實現。然而，模擬中所用的受時間約束的非實際參數，會使人對實驗和計算分析所得結果的定量分析可否實現產生疑問。

【成果簡介】

近日，德國?IFW Dresden研究所的Sergio Scudino博士開展了相關研究工作，其研究成果以“Strain Distribution Across an Individual Shear Band in Real and Simulated Metallic Glasses”為題發表在Nano Lett.上。該篇文章中，作者通過對單一剪切帶的應力場進行納米束X射線衍射實驗分析，與分子動力學模擬生成的剪切帶應力特征進行對比。盡管在時空尺度上具有很大的不同，真實情況下的剪切帶和模擬剪切帶的特征出人意料地相似：兩個例子中，剪切帶上的應力值均是非連續的，主應變軸的方向表現出同樣的反對稱模式。這一行為可以通過剪切形變區激活機制和納米尺度的滲透作用來解釋，表明剪切帶的納米尺度效應不局限于剪切帶區域，還會擴展到周圍的彈性基體中。

【圖文導讀】

圖1：可用來表征中程序的主峰q₁的XRD測量。

(a)XRD測量時使用的結構和坐標系示意圖；

(b)用于應力評價的表示主衍射峰q₁位置的XRD典型圖樣；

(c)分子動力學模擬中使用的帶缺口Cu₆₄Zr₃₆樣品和坐標系。

圖2：剪切帶的XRD分析。

(a),和(b),由本征值(彩色貼圖)的XRD結果得到的空間解析圖，表明主應力的大小；本征矢量（單位長度矢量），表示主應力的方向，白色點劃線為剪切帶的位置；

(c),(d)本征值和隨Y軸的變化情況和本征矢量和與(a)，(b)圖中X軸形成的夾角。

圖3：剪切帶上的應力分布情況。

通過分子動力學模擬剪切帶擴展的兩個階段，根據對應的本征矢量(a),(c)和本征值（彩色貼圖(b),(d)）得到的空間解析圖：(a)(b)內嵌的剪切帶還未橫貫整個樣品，(c),(d)完整剪切帶切斷了整個試樣。(a),(c)本征值和本征矢量與X'軸形成的角度在陰影區域的變化:(e),(g)內嵌剪切帶和(f),(h)完整剪切帶。本征矢量的大小通過矢量長度(a),(c)和彩色貼圖(b),(d)共同表示。(a),(c)中的紅色等高線表示樣品中發生形變，(a)-(d)中只顯示了樣品中的部分剪切帶。

圖4：穿過單一剪切帶的本征矢量的實驗及模擬結果對比。

(a)為本征值和(b)為本征矢量與X'軸形成的夾角。模擬樣品的坐標系旋轉45°，以便于和XRD實驗觀測的剪切帶方向匹配。

在實驗和模擬中剪切帶中心的位置選取在(b)中的轉折點數據處。

圖5：剪切帶形核和擴展在微米及納米尺度的示意圖。

剪切帶隨負載增加，由左向右擴展。未激活的剪切形變區用(a)中的綠色圓形表示，逐漸發生變形最終被激活((b),(c)中的橢圓)。

【小結】

作者通過對單一剪切帶的應力場進行納米束X射線衍射實驗分析，與分子動力學模擬生成的剪切帶應力特征進行對比，發現真實情況下的剪切帶和模擬剪切帶的特征出人意料地相似。這些發現不僅證明了分子動力學模擬來解釋(定量地)實驗觀察剪切帶的可靠性，而且說明實驗可反過來驗證剪切帶中發生的原子重排的數值預測。作者期望，該工作的分析能夠開啟一種可行的研究方案，即使用彈性基體中的結構變化作為判定根據，來實驗驗證剪切帶中發生的主要原子重排的數值預測。

文獻鏈接：Strain Distribution Across an Individual Shear Band in Real and Simulated Metallic Glasses (Nano Lett.,2018,DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04816)

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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