Omar Adjaoud達姆施塔特工業大學Acta Mater.：分子動力學模擬微觀結構對金屬納米玻璃塑性變形行為的影響

【引言】

金屬納米玻璃是納米尺度上玻璃態材料。納米玻璃顆粒冷壓實后，可以獲得玻璃-玻璃界面連接形成的金屬納米玻璃。最近，計算機模擬和能量色散X射線光譜方法證明，晶粒內部和界面之間存在成分梯度。金屬納米玻璃性質與玻璃-玻璃界面密切相關，但是結構無序和界面寬度窄，加劇了研究難度。模擬金屬納米玻璃的變形機理發現，晶粒尺寸影響塑性響應，結構從非定域變形到剪切帶的過渡。玻璃-玻璃界面的缺陷短程有序充當了剪切轉變區的成核位點。在納米玻璃制備方面，即顆粒的惰性氣體冷凝和冷壓實，預測玻璃-玻璃界面中的缺陷短程有序也受到了變形過程的影響。本文通過分子動力學研究發現，玻璃狀顆粒固結后，納米玻璃界面是接觸區域中拓撲不匹配和剪切過程，這種粒子衍生模型明顯不同于現有的體相衍生微觀結構模型。本文也分析了金屬納米玻璃的整體變形行為與微觀結構和界面特性的相關性。

【成果簡介】

近日，德國達姆施塔特工業大學的Omar Adjaoud（通訊）作者等人，采用分子動力學模擬方法，研究了微觀結構對Cu₆₄Zr₃₆納米玻璃塑性變形行為的影響。分析了兩種制備納米玻璃的方法：一種是化學均勻和不均勻的納米顆粒冷壓獲得的納米玻璃；另一種是體相衍生的多面體組裝而成的納米玻璃。對兩種類型的微結構研究發現，顆粒衍生的納米玻璃的界面體積分數明顯高于體相衍生的納米玻璃的界面體積分數。兩種玻璃的單軸載荷具有不同的塑性響應：顆粒衍生的樣品在屈服時，沒有應力下降，應變局部化非常小和沒有應變軟化；大塊衍生的樣品出現應力下降，應變軟化和大的局部應變。這與兩種玻璃的玻璃-玻璃界面結構的不同類型有關。因此，金屬納米玻璃的宏觀變形行為與玻璃-玻璃界面結構和拓撲結構密切相關，而玻璃-玻璃界面的結構和拓撲結構又與加工工藝有關。相關成果以“Influence of microstructural features on the plastic deformation behavior of metallic nanoglasses”為題發表在Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖 1 納米玻璃的加工

（a）惰性氣體冷凝制備直徑6-8 nm Cu₆₄Zr₃₆玻璃狀顆粒；

（b）是（a）在[50] K下，施加5 GPa的壓力冷壓玻璃狀顆粒衍生的納米玻璃；

（c）塊狀Cu₆₄Zr₃₆玻璃切割的多面體玻璃狀顆粒；

（d）在與玻璃狀顆粒相同的條件下，(c)多面體玻璃狀顆粒壓實獲得塊狀衍生納米玻璃；

（e）均勻的玻璃球產生的均勻納米玻璃；

（f）隨機除去顆粒衍生的納米玻璃內部中約10％的原子，獲得的軟顆粒納米玻璃。

圖 2?在各種納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的晶粒內部和界面中，二十面體的分數對比圖

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圖 3 在拉伸變形過程中，均勻和非均勻顆粒衍生納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的應力-應變曲線

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圖 4?各種納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的應力-應變曲線分析

（a）各種納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的應力-應變曲線；

（b）各種納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃拉伸變形期間，應變局部化參數Ψ的程度；

（c）樣本中最大應力和二十面體分數之間的相關性。

圖 5 在12％總應變下，在單軸拉伸下，塊狀Cu₆₄Zr₃₆玻璃樣品變形形成的剪切帶

圖 6 Cu₆₄Zr₃₆顆粒衍生的和塊狀衍生的納米玻璃的局部原子von Mises剪切應變圖

圖 7 在10％von Mises剪切應變應變下，軟質顆粒內部的局部原子剪切應變的分布圖

【小結】

本文發現金屬納米玻璃的微觀結構取決于加工工藝。雖然塊狀衍生和顆粒衍生的納米玻璃都具有由玻璃-玻璃界面連接的微觀結構，與體相的納米玻璃相比，顆粒衍生的納米玻璃中的界面的體積分數明顯更高。因為在加工過程中，塑性剪切的原子比例較大，填充玻璃狀顆粒之間的孔隙。此外，與體相衍生的納米玻璃相比，顆粒衍生的納米玻璃的顆粒內部也伴隨著結構變化。本文研究發現顆粒衍生的納米玻璃的異質性對變形行為沒有影響。

玻璃-玻璃界面帶有缺陷的短程有序結構。納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃中的二十面體具有高堆積密度的網絡和高抗剪切性。因此，顆粒內部的二十面體分數導致剪切變形區的活化屏障較低。因此，納米玻璃的最大應力隨著二十面體分數的減少而減小，而二十面體分數又取決于界面的體積分數。本文在顆粒衍生的納米玻璃和大塊衍生的納米玻璃的顆粒內部創建了缺陷的短程有序結構，即一種柔軟顆粒內部的納米玻璃。研究發現，軟顆粒內部納米玻璃對外部載荷有響應，金屬納米玻璃的變形行為與界面的體積分數有關，而界面的體積分數與加工路線有關。

文獻鏈接：Influence of microstructural features on the plastic deformation behavior of metallic nanoglasses（Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.02.033）。

本文由材料人編輯部張金洋編譯整理。

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