Communications Materials: 電遷移效應抑制金屬玻璃剪切帶形成

youyoucao 3年前 (2020-07-29) 3639瀏覽

研究背景

和內部原子呈周期性排列的傳統金屬材料不同，金屬玻璃內部原子呈無序密堆特征，是一類具有“長程無序、短程有序”原子結構的新型金屬材料。因此，金屬玻璃內部不存在常見的晶界和位錯等結構缺陷，而這些缺陷的運動是傳統金屬材料發生塑性變形的核心機制。盡管金屬玻璃內部原子之間也是金屬鍵結合，但卻無法像傳統金屬一樣具有優良的室溫延展性和塑性變形能力。在室溫下，金屬玻璃塑性變形的主要特征是形變局域化，其變形通常集中在厚度為10-50 nm的剪切帶內部并伴隨剪切軟化發生。尤其是在拉伸條件下，剪切帶形成之后，會迅速擴展并誘導宏觀脆性斷裂，使得金屬玻璃幾乎沒有均勻拉伸塑性。因此，如何理解金屬玻璃以剪切局域化為核心的室溫塑性變形機制，一直是金屬材料領域的基本科學問題。

成果簡介

近來，華中科技大學柳林教授和諶祺副教授團隊通過在Zr55Cu30Al10Ni5?(Zr55)金屬玻璃拉伸變形過程中巧妙的引入脈沖電流，成功抑制了Zr55金屬玻璃的剪切形變局域化，使其在遠低于其玻璃轉變溫度的條件下發生了均勻變形并表現出縮頸現象。通過與常規加熱條件下的拉伸實驗對比發現，在電流激勵拉伸變形過程中，電流的電遷移效應，即：沿電流反方向的電子運動導致的原子擴散，致使金屬玻璃發生動態回春(Dynamic Rejuvenation)，擴大了金屬玻璃的基本變形單元-剪切轉變區，從而促使金屬玻璃發生均勻拉伸變形；而電流產生的焦耳熱，并非金屬玻璃發生均勻變形的關鍵因素。根據金屬玻璃在“應變速率-溫度”空間上的變形圖譜（Deformation Map）進行定量分析發現，電遷移效應相當于約0.15Tg（Tg為玻璃轉變溫度）的等效溫升。這一結果表明，電遷移效應抑制了金屬玻璃剪切帶的形成，顯著的擴展了金屬玻璃發生均勻形變的溫度范圍。

上述成果以“Expanding the homogeneous regime of?deformation in bulk metallic glass by?electromigration-induced rejuvenation”為題于2020年7月17日在《通訊·材料》(Communications?Materials) 上在線發表。該項成果的實驗工作主要基于國家脈沖強磁科學中心電磁成形工作站及材料成形與模具技術國家重點實驗室非晶態材料研究室開展，相關研究得到了國家自然科學基金、華中科技大學自主創新基金、以及材料成形與模具技術國家重點實驗室開放基金的支持。

圖文導讀

圖1 金屬玻璃脈沖電流拉伸實驗

(a) 拉伸實驗示意圖；(b) 拉伸實驗實物圖；(c) 拉伸試驗局部放大，引伸計，熱電偶、拉伸試樣；(d) 拉伸試樣尺寸；(e) 脈沖電流波形；(f) 實際產生的脈沖電流

圖2?脈沖電流拉伸實驗結果

(a)?Zr55Cu30Al10Ni5?(Zr55)金屬玻璃在不同電流密度脈沖電流作用下的拉伸應力-應變曲線；(b) 變形后樣品形貌；(c)金屬玻璃頸縮區域形貌；(d) 頸縮區域高分辨電鏡照片

圖3?電流的焦耳效應分析

(a)?Zr55Cu30Al10Ni5?(Zr55)金屬玻璃樣品在拉伸實驗中的溫度變化；(b)常規加熱條件下Zr55金屬玻璃的拉伸實驗；(c) 常規拉伸實驗后樣品形貌

圖4?電致塑性

(a)?Zr55Cu30Al10Ni5?(Zr55)金屬玻璃在不同脈寬脈沖電流作用下的拉伸應力-應變曲線，脈寬/周期=1:40；(b)不同脈寬條件下拉伸實驗中樣品溫度變化；(c)載荷與位移的同步變化；(d) 位移與溫度的同步變化，表明位移增加并不是由焦耳熱引起的溫升導致。

圖 5?電遷移致動態回春機理

(a) 金屬玻璃結構示意圖；(b) 剪切轉變區示意圖(Shear Transformation Zone, STZ)：疏松區域為STZ，密堆區域為彈性基體；(c) 電遷移效應示意圖；(d) 電遷移驅動金屬玻璃發生動態回春。電遷移效應在受到幾何約束的原子(Geometrically Frustrated Atoms)上比在自由擴散原子(Free Diffusing Atoms)上更顯著，因此優先驅動STZ彈性基體內部的原子擴散，誘導金屬玻璃發生動態回春，擴大了STZ區域，促使金屬玻璃發生均勻變形，從而抑制了其剪切帶形核。

圖 6?電遷移致回春效應的引起的金屬玻璃軟化現象

電流作用下金屬玻璃強度隨溫度變化的關系滿足：σy?~ (T/Tg)n, n~5.2。E?為楊氏模量；?Tg?是玻璃轉變溫度。圖6表明，電流作用下的軟化效應較金屬玻璃強度隨溫度變化的n?= 2/3冪律關系更顯著，印證了電流作用下金屬玻璃的動態回春效應，即：原子運動能力增加。

小結

上述結果表明，電遷移效應通過優先驅動金屬玻璃內部原子密堆區域的原子擴散運動，促使金屬玻璃發生動態回春，從而導致金屬玻璃在塑性變形過程中發生均勻變形。本研究成果不僅有助于更好地理解金屬玻璃的塑性變形機理和金屬材料“電塑性效應”的本質，還為通常只能進行傳統“熱塑性”成形加工的金屬玻璃提供了新的成形手段，有望有效地推動金屬玻璃的工業應用。

全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s43246-020-0046-x?

團隊簡介

上述論文由華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心（簡稱強磁場中心）、材料學院，暨南大學，和中科院物理所共同完成。華中科技大學為第一完成單位，強磁場中心諶祺副教授和暨南大學張猛副教授為論文共同第一作者；強磁場中心韓小濤教授，材料學院柳林教授，以及中科院物理所汪衛華院士為論文共同通訊作者。

本文由作者團隊供稿。

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