Acta Mater:大塊金屬玻璃形變強化多級跨尺度結構非均勻性研究


【引言】

長期以來,金屬玻璃塑性的結構起源以及結構響應一直懸而未決,其塑性變形過程中結構-性能關聯機制仍不清楚,因此研究金屬玻璃塑性變形過程中多尺度多級結構演變對理解結構-性能關系具有重要的意義。非晶態材料變形過程中多尺度結構響應的原位無損化表征是當前研究的難點之一。該研究以Pd-Si二元非晶合金體系為研究對象,利用先進的中子和同步輻射等大科學裝置為從多尺度結構角度研究大塊金屬玻璃塑性變形過程提供了獨特的手段。借助同步輻射高能X射線衍射和小角中子/同步輻射散射,輔以常規電鏡等檢測手段,實現了對大塊金屬玻璃彎曲、拉伸和壓縮過程中多級、跨尺度結構的表征,通過分析從多尺度結構角度理解了大塊金屬玻璃塑性變形過程。研究揭示了團簇連通模式在拉伸/壓縮流變應力下的不同響應。研究發現多級、跨尺度非均勻性的演變和構筑在塑性變形過程中起到了重要的作用,表明多級的跨尺度結構調控可能是未來獲得優異機械性能金屬玻璃的重要思路之一。

【成果簡介】

近日,南京理工大學蘭司教授(通訊作者)指導博士生劉思楠(第一作者)和碩士生王利峰(共同第一作者,現在南京華興壓力容器制造有限公司任職),聯合香港城市大學物理系王循理教授、美國阿貢實驗室先進光源任洋博士、中國散裂中子源小角散射線站柯于副研究員、中科院物理所/松山湖材料實驗室孫保安研究員、新疆大學物理科學與技術學院李強教授、北京科技大學新金屬國家重點實驗室淵教授合作者開展了相關研究工作,研究成果以“Deformation-enhancedhierarchicalmultiscale?structure heterogeneity in a Pd-Si bulk metallic glass為題在ActaMaterialia發表。該工作利用同步輻射高能X射線衍射、同步輻射小角X射線散射、小角中子散射,結合透射電鏡等手段,從變形過程中多級、多尺度結構響應角度出發,系統的研究了Pd82Si18金屬玻璃在彎曲、拉伸和壓縮變形過程中從原子到納米到微米尺度上的結構演變。研究發現,在變形過程中,中程序尺度上的團簇連通模式之間的轉換主導了塑性變形的全過程結構,同時在拉伸和壓縮過程中表現出相反的團簇連通性演變模式。對分布函數分析同時表明,中程序尺度上團簇的連通性轉變還影響了彎曲后樣品拉伸側和壓縮側的堆積密度差異。小角散射和電子顯微鏡觀察到金屬玻璃變形后的納米尺度非均勻性和高密度的多級、多重剪切帶。分析表明,大塊金屬玻璃樣品在彎曲后引入了復雜且周期性分布的殘余應變,其原因可能是由于納米尺度的非晶相分離和塑性變形增強的多級剪切帶相互作用的結果。該研究結果還表明,變形過程中多級跨尺度非均勻結構的增強可能是Pd-Si玻璃合金具有良好塑性的內在原因。該研究結果有助于深入理解和構筑大塊金屬玻璃塑性變形過程中結構-性能關聯。

【圖文導讀】

圖1:彎曲變形后大塊金屬玻璃的剪切帶形貌特征。

(a)變形前Pd82Si18金屬玻璃;

(b)彎曲變形后Pd82Si18金屬玻璃;

(c)彎曲變形樣品局部放大。可以看到拉伸側(T)剪切帶分布范圍要大于壓縮側(B);

(d) (e) (f)彎曲變形后不同區域剪切帶形貌的比較。在拉伸側主剪切帶呈現兩種類型:彎曲且垂直軸線的I型和平坦且傾斜的II型,I型剪切帶會耗散更多能量,同時伴隨大量二次剪切帶。

2彎曲變形前后樣品的同步輻射高能X射線衍射結果。

(a) 同步輻射高能X射線衍射測試示意圖;

(b)彎曲變形前后金屬玻璃的結構因子比較,插圖顯示第一衍射峰峰位的偏移,代表著彎曲變形后壓縮側/拉伸側與初始態樣品的堆積密度變化;

(c) 第一衍射峰峰位的三維等高線圖,可以看出彎曲樣品拉伸側到壓縮側,峰位變化呈周期波浪狀;

(d) 根據相對峰值位移計算出的從拉伸側到壓縮側垂直樣品不同位置的方向應變εi

(e) 彎曲樣品沿中軸線從拉伸側到壓縮側的三個應變分量,預示著原子尺度上的結構起伏。

3彎曲變形前后壓縮和拉伸兩側的約化對分布函數分析結果。

(a) 約化對分布函數指數擬合結果,變形區更大的指數意味著有序度會擴展到更高的配位殼層;

(b)(c)(d) 對分布函數的次近鄰配位殼層的高斯擬合結果,分解的部分分別對應短程團簇1-4原子連通模式。

4Pd82Si18金屬玻璃條帶原位同步輻射單軸拉伸結果。

(a)金屬玻璃條帶拉伸前后結構因子對比,插圖為方向應變與工程應變關系曲線,橙色實線為彈性階段擬合,黑色虛線用于區分彈性和塑性階段;

(b) 金屬玻璃條帶拉伸前后約化對分布函數的指數擬合結果;

(c) 拉伸前后對分布函數的次近鄰配位殼層的高斯擬合結果;

(d) 拉伸變形過程中2原子和3原子團簇連接方式的變化,黑色虛線用于區分彈性和塑性階段。

5Pd82Si18大塊金屬玻璃原位同步輻射單軸壓縮結果。

(a) 大塊金屬玻璃單軸壓縮應力-應變曲線,大塊樣品塑性應變可超過75%而不發生斷裂。插圖為壓縮前后樣品掃描電鏡圖片,可以看到變形后樣品高密度剪切帶分布,同時存在豐富的二次剪切帶;

(b) 塊體壓縮前后結構因子對比,插圖為第一衍射峰的放大;

(c) 塊體壓縮前后約化對分布函數及指數擬合結果;

(d) 壓縮變形過程中2原子和3原子團簇連接方式的變化,青色虛線為對應的應力-應變曲線。

6Pd82Si18金屬玻璃透射電鏡圖片。

(a)未變形試樣高分辨透射電鏡圖片,插圖是圖像的快速傅立葉變換;

(b) 彎曲變形后試樣高分辨透射電鏡圖片,插圖是圖像的快速傅立葉變換;電鏡結果顯示樣品變形前后均為非晶態;

(c)(e)單軸壓縮(工程應變~75%)后的TEM明場像。(e)圖黃色箭頭表示靠近剪切帶邊緣的較大尺度非均勻析出物。插圖是所選區域的電子衍射圖;

(d)(f)同一單軸壓縮樣品的基體和剪切帶局部區域(如圖6e中的紅方區域所示)的高分辨率TEM圖像。插圖是每個圖像的快速傅立葉變換。

7變形前后同步輻射和中子小角散射結果。

(a) 彎曲前后樣品的同步輻射高能X射線小角散射譜(SAXS);

(b)單軸壓縮(工程應變~75%)后樣品的小角中子散射譜(SANS)。插圖是異質結構的尺寸分布,結合SAXS擬合結果,尺寸主要分布在2.5~20nm,涵蓋了剪切帶和非均勻結構。

8Pd-Si大塊金屬玻璃在彎曲變形前、中間階段和變形后(a)原子(b)納米和(c)微米尺度非均勻性演化示意圖。

(a) 在原子尺度上,拉伸和壓縮彎曲過程中2、3原子的團簇連通模式轉換相反;

(b) 在納米尺度上,形變過程中,非均勻性結構(非晶相分離、剪切帶結構)得到增強,尤其剪切帶在擴展過程與納米級非均勻結構的交互會進一步增強這一過程的累積。用黑色細箭頭指示剪切帶的擴展方向;

(c) 在微米尺度上,彎曲變形過程中,兩側均有大量剪切帶生成。彎曲后樣品中的色帶反映了從拉伸側到壓縮側的不均勻殘余應變分布。

【小結】

綜上,利用同步輻射高能X射線衍射和小角中子/同步輻射散射技術,結合電鏡觀測,該工作系統研究了Pd82Si18二元金屬玻璃變形前后從原子到納米到微米尺度結構響應。實驗結果表明,變形后的多尺度多級結構的非均質性顯著增強。彎曲變形后觀察到高密度的多級剪切帶,并導致復雜且周期性分布的殘余應變。對分布函數分析表明,中程序尺度上原子團簇的連通性變換決定了彎曲后樣品拉伸側和壓縮側的堆積密度差異。原位同步輻射X射線衍射研究還揭示了短程團簇在單軸拉伸和壓縮作用下的連接模式的對應變化,這與彎曲前后的Pd82Si18玻璃合金中拉伸/壓縮部位的連接模式轉變一致。小角散射和透射電鏡觀察到金屬玻璃變形后明顯增強的納米非均勻性,其原因可能是由于納米尺度的非晶相分離和塑性變形增強的多級剪切帶相互作用的結果。研究結果表明,在多尺度上多級非均勻結構的強化可以解釋Pd-Si玻璃合金具有良好的塑性及加工硬化現象,有助于加深人們對金屬玻璃塑性變形過程中結構-性能關系的理解。

【文獻連接】

S.N. Liu#, L.F. Wang#, J.C. Ge, Z.D. Wu, Y.B. Ke, Q. Li, B.A. Sun, T. Feng, Y. Wu, J.T. Wang, H. Hahn, J.D. Almer, X.-L. Wang, S. Lan*. Deformation-enhanced hierarchical multiscale structure heterogeneity in a Pd-Si bulk metallic glass[J]. Acta Materialia 200, 2020, pp. 42-55. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.077

【致謝】

本論文研究工作獲得國家自然科學基金支持

【蘭司教授簡介】

現任南京理工大學材料科學與工程學院/格萊特研究院院長助理、副所長、教授,獲得江蘇省杰出青年基金和國家自然科學基金面上項目資助,一直從事大塊金屬玻璃及形成液體中液態相變相關領域的研究工作,自博士、博士后、以及工作以來,以同步輻射和中子散射及透射電鏡等先進研究手段,在一系列金屬玻璃合金體系液-液相變的微觀機制原位散射研究等課題上做出了重要的研究成果,在Nature Communications, Communications Physics, Acta Materialia,PhysicalReviewLetters、ScriptaMaterialia等發表重要論文60余篇,具有豐富的相關研究經驗。關于鈀-鎳-磷非晶合金的隱藏液態相變的研究工作于2017年發表在國際權威雜志自然通訊上,被基金委首頁以要聞報道,同時被自然通訊雜志冶金專欄收藏。由于取得的一系列研究成果,還獲得江蘇省333高層次人才計劃、六大人才高峰人才計劃、雙創博士計劃支持。因為金屬玻璃結構和合金液體方面的突出工作,2017年7月獲得中國材料大會非晶合金“杰出青年科學家獎”。2017年8月組織國際知名的戈登研討會(GRS)中子散射研討會并作邀請報告。

本文由南京理工大學蘭司教授課題組供稿。

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