Nat. Commun.: 空間不均勻性作為結構特性表征金屬玻璃的結構-性能相關性

【引言】

晶態材料的力學性能可以通過引入溶質原子、位錯、孿晶和晶界等晶體缺陷，用固溶強化、Taylor應變強化和Hall-Petch晶界強化模型來定量描述。然而對于無序的金屬玻璃，還缺乏可以準確定義材料力學性能的結構參量。

【成果簡介】

為描述結構無周期性的金屬玻璃的力學行為，自由體積（free volume）、流變單元、以及剪切轉變區域（STZs）等概念已被引入金屬玻璃彈性-塑性轉變的研究中，來描述結構不穩定性。盡管流變單元和STZ理論是基于金屬玻璃結構不均勻性是剪切局域化及剪切軟化起源的假設，有關金屬玻璃結構不均勻性和宏觀力學性能之間的關系仍未明確建立起來。受實驗技術的限制，還未能描述金屬玻璃空間不均勻性，并確定其和宏觀力學性能之間本征關聯的定量關系。

近日，上海交通大學尖端物質結構研究中心團隊在Nature Communications上發表了題為“Spatial heterogeneity as the structure feature for structure–property relationship of metallic glasses”的文章。該工作報道了納米尺度空間不均勻性是金屬玻璃固有的結構特征，和強度及形變行為有著本征關聯。金屬玻璃的強度和楊氏模量可以通過空間不均勻性特征長度倒數的平方根來定義。此外，時間相關的應變弛豫的拉伸指數也可以通過特征長度來定量描述。該研究有力證明了空間不均勻性可作為描繪金屬玻璃力學性能的結構參量。

【圖文導讀】

圖1：不同熱力學狀態下金屬玻璃的空間不均勻性。

(a)超制備的超快淬樣品和553K下分別退火5min（中度弛豫）和720min（高度弛豫）的樣品；

(b)?超快淬金屬玻璃樣品的HRTEM圖像，內插圖是對應的選取電子衍射圖像；

(c)?超快淬樣品的HADDF-STEM圖像；

(d) 中度弛豫樣品的HADDF-STEM圖像；

(e) 高度弛豫樣品的HADDF-STEM圖像。

圖2：納米壓痕儀測得的力學性能。

(a)?超快淬樣品、中度弛豫樣品和高度弛豫樣品的納米壓痕力-深度曲線；

(b) 納米壓痕硬度和模量與空間不均勻性特征長度的圖像；

(c)?超快淬樣品的硬度計壓頭圖像；

(d)?高度弛豫樣品的硬度計壓頭圖像。

圖3：微米柱壓縮測試。

(a)?超快淬微米柱和高度弛豫微米柱樣品經非軸向壓縮的工程應力應變曲線；

(b)?超快淬微米柱形變后的形貌；

(c)?高度弛豫微米柱形變后的形貌.

圖4：應變弛豫測量。

(a) 恒定負載50mN時，壓頭位移h與保持時間th之間的函數關系；

(b) 弛豫振幅和特征弛豫時間與空間不均勻性的特征長度的比值；

(c) 拉伸指數β與特征長度的函數關系。

【小結】

總的來說，該工作系統研究了金屬玻璃空間不均勻性和力學性能之間的關聯。強度、模量和弛豫指數可以通過空間不均勻性的特征長度來定量描述。盡管拉伸指數和Hall-Petch關系背后的機制還不清楚，需要進一步研究，現有工作提供了一個明確定義的結構特征來描述金屬玻璃的力學性能，這將對理解金屬玻璃力學性能的結構起源以及設計性能更好的新型金屬玻璃至關重要。

文獻鏈接：Spatial heterogeneity as the structure feature for structure–property relationship of metallic glasses（Nat. Commun.,2018,DOI: 10.1038/s41467-018-06476-8）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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