中科院物理所汪衛華&柳延輝Nat. Commun. : 磁疇解密鐵磁金屬玻璃中的剪切帶影響區

【引言】

盡管金屬玻璃(MGs)具有顯著的強度和彈性，但其延展性阻礙了其廣泛應用。由于應變軟化，MG在遠低于玻璃化轉變溫度下的塑性變形強烈地局限在剪切帶中，該剪切帶控制MG的屈服和斷裂行為。剪切帶通常是由剪切轉變區(STZ)的協同對準產生的納米級平面物體。先前通過TEM觀察表明剪切帶的厚度約為10-20nm，并且該值長期以來在許多MG變形模型中被采用。然而，后來通過不同技術進行的研究表明剪切帶存在于更廣泛的區域。為了精確地繪制剪切帶影響區(SBAZ)，需要具有足夠高的靈敏度和空間分辨率的方法。磁疇與磁各向異性相關并反映自旋結構。10^-5數量級的變形應變很難通過X射線測量，但可以完全重構磁疇圖譜。對于沒有磁晶各向異性的鐵磁MG，磁疇結構以磁彈性各向異性為主，并且對局部應力引起的原子位移極其敏感。因此，磁疇結構的演變可以直接反映鐵磁MG變形時的局部結構變化和應力/應變分布。也就是說，通過磁力顯微鏡(MFM)易于觀察到的磁疇能夠以納米級高精度和高空間分辨率探索剪切帶周圍的受影響區域。

【成果簡介】

近日，中科院物理所汪衛華院士、柳延輝研究員(共同通訊作者)等以磁疇作為高靈敏度和空間分辨率的探針詳細揭示了剪切帶影響區(SBAZ)的結構，并在Nat. Commun.上發表了題為“Shear-band affected zone revealed by magnetic domains in a ferromagnetic metallic glass”的研究論文。作者證實剪切帶伴隨著在應變場中具有梯度的微米級SBAZ，并且多個剪切帶通過SBAZ的疊加相互作用。此外，還存在從剪切帶延伸數百微米的超長程漸變彈性應力場。上述研究結果提供了剪切帶的全面圖像，對于闡明玻璃中塑性變形的微觀機理非常重要。

【圖文簡介】
圖1 剪切帶的典型AFM和MFM顯微圖像

a) 彎曲Fe₇₈Si₉B₁₃ MG帶時剪切帶的SEM圖像；
b) 剪切帶的3D AFM等高線圖像；
c,d) AFM等高線圖像和單個剪切帶的相應MFM相位圖像；
e) 沿c和d圖中的橫向黑色和紅色虛線的高度以及相應的MFM相位曲線；
f) 沿剪切帶兩側的線的MFM相曲線，如d中的彩色虛線所示；
g,h) AFM等高線圖像以及相應的MFM相位圖像；
i) 沿g和h中的橫向黑色和紅色虛線的高度和相應的MFM相位曲線；
j) 沿h中彩色虛線的MFM相位曲線。

圖2 200 μm長剪切帶的AFM和MFM顯微圖像

a,g) AFM等高線圖像以及相應的單個剪切帶覆蓋200 μm的MFM相位圖像；
b-f) 沿剪切帶不同位置的高度曲線；
h) 剪切帶延伸前沿的70×70 μm² 3D MFM相位圖像；
i-k) g圖中的綠色方塊標記的10×10 μm²區域中的3D MFM相位放大圖像。

圖3 單重剪切帶周圍的超長程磁疇圖譜

a-c) 離剪切帶不同距離的典型MFM相位圖像；
d) MFM相移的均方根(RMS)值隨距離剪切帶距離的變化。

圖4 多重剪切帶的典型MFM顯微圖像

a) 多個剪切帶的MFM相位圖像；
b) 沿a圖黑色箭頭指示的路徑中的高度以及相應的MFM相位曲線；
c) 沿a圖中的彩色箭頭指示的兩個相鄰剪切帶MFM相位曲線；
d) 具有交叉點的多重剪切帶的MFM相位圖像；
e) 沿d圖中直線的高度以及相應的MFM相位曲線；
f) d圖中藍色橢圓標記區域中的兩個交叉剪切帶MFM相位曲線。

圖5 退火后磁疇的變化

a) 在573K退火5 h后的MFM相圖像；
b) 在573K退火60 h后的MFM相圖像；
c) 在693K退火1 h后的MFM相圖像。

圖6 剪切帶影響區的示意圖

剪切帶影響區的示意圖。灰色區域代表數百微米的長程彈性區域，有色區域代表剪切帶的有效變形區，其中亮紅色線代表納米級剪切帶的核心，紅色區域代表寬度為幾微米的嚴重變形區域，淺藍色區域表示長度為數十微米的擴展應變梯度場。 三個30×30 μm² MFM相位圖像代表相應區域中的典型磁疇圖譜(波狀疇圖譜、擴展疇圖譜、拉鏈狀疇圖譜)

【小結】

綜上所述，作者以具有高靈敏度和空間分辨率的磁疇作為探針證實了剪切帶誘導剪切帶影響區的結構。作者發現剪切帶影響區由納米級剪切帶、剪切帶附近的微米級嚴重變形區和數十微米的擴展應變梯度場組成。隨著剪切帶間距的減小，每個帶的剪切帶影響區導致了剪切帶之間的相互作用。此外，還存在從剪切帶延伸數百微米且具有漸變應力場的超長程彈性區域。該工作中的方法和結果為可視化觀察剪切帶影響區提供了重要參考，能夠進一步加深研究人員對MG中應變局部化的理解。所揭示的剪切帶影響區對于理解MG中塑性變形的微觀機制以及設計堅韌的MG來說非常重要。

文獻鏈接：Shear-band affected zone revealed by magnetic domains in a ferromagnetic metallic glass (Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06919-2)

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