Nat.Commun：鐵基非晶合金中大塑性起源和多尺度效應

【引言】

多數非晶合金的塑性不佳是阻礙性能優化和應用推廣的主要限制。然而，近二十年來，一些新型的塊體非晶合金形成體系克服了這一不足，具有較大的壓縮塑性和相當高的屈服強度。非晶合金的形變程度與均勻形核和高密度剪切帶演化相聯系。然而，和預變形態具有結晶性或逆玻璃化第二相的同種體系相比，塊體非晶合金形變產生大塑性的內在機制仍不清楚。

【成果簡介】

近日，奧地利科學研究院/萊奧本礦業大學的Jürgen Eckert課題組在Nature Communication上發表了題為“Origin of large plasticity and multiscale effects in iron-based metallic glasses”的研究文章。文章通訊作者及第一作者為奧地利科學研究院的Baran Sarac博士。新近開發的塊體非晶合金在準靜力壓縮時的大塑性，引發了研究人員對原子尺度效應的疑問。本篇文章使用球差矯正高分辨透射電子顯微鏡，觀察到鐵基非晶合金中存在尺寸在1-1.5nm數量級的納米晶。納米晶的聚集和硬/軟區域的出現有關，通過納米壓痕技術驗證，與微尺度硬度和彈性模量有關。此外，作者對不同樣品厚度的高分辨透射電鏡圖像進行了系統化的模擬，建立了估算剪切轉變區大小的理論模型。結果顯示，形成軟區的主要機制是均勻彌散的納米晶，主導剪切轉變區的開始和停止機制，因此對力學性能的提高至關重要。

【圖文導讀】

圖1：Fe₅₀Ni₃₀P₁₃C₇BMG的力學表征。

(a)準靜態應變率為2×10^-4/s時，形變BMG的工程應力應變曲線；

(b)壓縮BMG的形變表面；

(c)BMG大塑性形變的斷裂表面。

圖2：Fe₅₀Ni₃₀P₁₃C₇BMG的熱力學性質。

(a)T_g為玻璃轉變點，T_x為結晶溫度，△H_x為結晶潛熱；

(b)T_m為熔化溫度，T_l液化溫度，△H_m為熔化熱；

(c)T_c為BMG的居里溫度。

圖3：微尺度不均勻性研究。

(a)Fe₅₀Ni₃₀P₁₃C₇BMG橫截面的低倍STEM圖像；

(b)1mm大小的Fe基BMG盤狀樣品的硬度&減少模量圖；

(c)相應壓痕負載與壓痕深度的關系；

(d)從納米壓痕實驗得到的接觸深度、減少模量和硬度的變化情況。

圖4：納米尺度不均勻性的HRTEM研究。

(a,f) 非晶基體（1B和2B）中納米晶的1A和2A區域；

(b,d,g,i) 8nm厚度的樣品中，不同區域的HRTEM圖像和(c,e,h,j)相應的快速傅里葉變換。

圖5：類晶體團簇的確定。

(a)通過對圖4中HRTEM圖像進行自關聯分析得到的局域原子排布圖；

(b)用于納米晶團簇的體積分數計算的圖像；

(c)厚度為8nm的Fe₅₀Ni₃₀P₁₃C₇BMG的能量損失譜；

(d)自關聯分析后過濾的HRTEM圖像，內插圖1-4表示快速傅里葉變換模式的變化；

(e)X射線衍射揭示寬化的衍射極大值，未測出晶相峰；

(f)低倍STEM明區圖像顯示納米晶團簇；

(g)低倍STEM暗區圖像顯示納米晶團簇的彌散情況。

圖6：Fe基BMG中納米晶的HRTEM模擬圖。

(a)原子模型；

(b-d) 樣品厚度依次為8-，15-，23-nm的HRTEM分子動力學模擬；

(e-g) 從樣品厚度依次為8-，15-，23-nm的HRTEM模擬得到的快速傅里葉變換，顯示出和圖4中納米晶區域的快速傅里葉變換圖樣的緊密關聯。

圖7：描述Fe₅₀Ni₃₀P₁₃C₇BMG的多尺度形變行為的示意圖.

(a)和BMG相比具有更低剪切模量的納米晶（藍色顆粒）的首先形變部分（納米晶中小的灰線）；

(b)在微尺度下，剪切帶不發展成為裂痕，因為軟區之間的距離小于BMG的臨界開裂長度。

【小結】

在本篇文章中，作者通過消球差HRTEM證實了，Fe基塊體非晶合金中存在均勻彌散的金屬納米尺度晶相。由于Fe和Ni原子具有小的混合熱和相似的原子半徑，體系的非晶形成能力隨Ni含量的增加而降低，促使納米晶形成。通過納米壓痕實驗測得的力學性能顯著變化，以及對薄樣品的偏向性，證明該塊體非晶合金中存在硬度高低的兩相。TEM模擬和實驗發現很好地符合，唯一可能低于20nm薄片厚度閾值的應為納米晶偏析物。綜上發現可知，準靜態壓縮下觀察非晶合金的顯著剪切現象，還有通過剪切轉變區的開始和受阻而塑性提高，都和納米晶緊密相關。受控的納米晶誘導塑性和納米級晶粒尺寸可以幫助研究者更好地理解其他非晶合金體系具有大塑性的形變機制。

文獻鏈接：Origin of large plasticity and multiscale effects in iron-based metallic glasses（Nat.Commun.,2018,DOI: 10.1038/s41467-018-03744-5）

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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