金屬玻璃二次弛豫與塑性起源

上海大學與香港城市大學研究組合作利用動力學譜發現了普遍存在于金屬玻璃中的二次弛豫，并揭示了其與玻璃合金脆-塑性轉變和塑性起源的關系。國際學術期刊《Materials Today》¹以研究論文的形式于2017年6月9日在線發表了這一研究新進展。該項工作是他們于2015年7月在《Nature Communications》²上發表了關于金屬玻璃二次弛豫重要研究成果后，所取得的另一極其重要的進展。上述工作的第一作者是上海大學材料研究所非晶合金研究組王慶博士，通訊作者是香港城市大學先進結構材料研究中心楊勇副教授³和呂堅教授⁴。

在非晶凝聚態物理和材料科學領域，人們普遍認識到玻璃固體的弛豫譜與其無序結構特征和形變行為之間存在著本征聯系；然而對金屬玻璃而言，該內在關聯關系的建立及其背后的物理本質仍然遠未澄清，這使得人們在深入認識金屬玻璃的結構動態不均性和塑性形變起源時面臨很大的挑戰。

在前期研究金屬玻璃動態弛豫行為中²，他們首先發現一種Ce-La塊體金屬玻璃動態弛豫譜在不同溫區呈現兩個動力學特征明顯不同的二次弛豫（圖1）。與已報道的金屬玻璃二次弛豫動態力學譜相比較，首次被他們發現的呈現在低溫區的二次弛豫是一種相對快速的低能驅動過程，因而被命名為“快二次弛豫”。其驅動能為約為前期發現的慢二次弛豫驅動能的一半。在最新的工作中，他們則進一步系統研究了不同體系金屬玻璃合金的動態弛豫譜，證實了在玻璃轉變溫度以下，快二次弛豫在金屬玻璃中普遍存在性。人們通常認為具有更高驅動能的慢二次弛豫與金屬玻璃的剪切轉變區(shear transformation zone)和屈服 （yielding）等相關聯，并涉及原子斷鍵過程。而他們發現低能驅動的快二次弛豫則與金屬玻璃的滯彈性(anelasticity)建立相關性。相對而言，這種約束度更高的弛豫過程對局域原子堆垛或動性更為敏感，而隨金屬玻璃結構中原子鍵化學特性變化不明顯（圖2）。

通過比較系統分析不同塑性和脆性金屬玻璃快二次弛豫的動力學特征，王慶等人發現金屬玻璃的塑性與包含“快二次弛豫”的弛豫譜有很強的相關性 (圖3，4）。進一步，他們通過低溫壓縮實驗證實了完全激活快二次弛豫會誘導多重剪切帶的形成，從而讓金屬玻璃呈現獨特的在低溫區的塑性-脆性轉變（圖5，6）。上述發現不僅有助于理解金屬玻璃動態結構不均勻性，也將有助于完整建立并揭示金屬玻璃弛豫譜與其力學行為，包括滯彈、屈服至穩態塑性流變的相關性的物理本質。

圖1　Ce-La塊體金屬玻璃動態弛豫譜在不同溫區呈現兩個動力學特征明顯不同的二次弛豫

圖2　不同金屬玻璃體系的“快二次弛豫” 的激活能對玻璃轉變溫度不敏感

圖3 通過“歸一化”比較發現，脆性金屬玻璃較難激發“快二次弛豫”塑性金屬玻璃較易激發“快二次弛豫”

圖4 脆性金屬玻璃的可動原子團簇較大而動力學不均勻性較弱 而塑性金屬玻璃的可動原子團簇較小而動力學不均勻性較強

圖5 在不同溫度下Ce-基金屬玻璃的壓縮曲線，在低溫區發現壓縮塑性和多重剪切帶。壓縮塑性取值于最大應力開始下降的拐點處 （類似的結果也在Zr基金屬玻璃發現）

圖6 ?壓縮塑性與“快二次弛豫”的溫度相關性高度關聯

1.Q. Wang, J.J. Liu, Y.F. Ye, T.T. Liu, S. Wang, C.T. Liu, J. Lu,Y. Yang, ?Universal secondary relaxation and unusual brittle to ductile transition in metallic glasses,Materials Today, (2017) http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2017.05.007.

2.Q. Wang, S.T. Zhang,Y. Yang, C.T. Liu, Y.D. Dong, J. Lu,Unusual fast secondary relaxation in metallic glass,?Nature Communications, 6, 7876, 2015.

楊勇副教授研究組網頁：http://www6.cityu.edu.hk/stfprofile/yonyang.htm

呂堅 教授 研究組網頁：http://www.cityu.edu.hk/vprt/prof-jianlu-bio.htm

本文材料由上海大學與香港城大課題組提供，在此表示感謝。材料牛編輯背逆時光編輯。