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中国科学院物理研究所 EX4组供稿 第3期 2012年01月20日
北京凝聚态物理国家实验室
非晶合金拉伸塑性变形及与玻璃弛豫关系的内耗研究进展
   在晶体材料中,塑性变形是通过低能量的缺陷(如位错、孪晶等)运动实现的,它们存在的基础是原子在空间上的长程有序性和平移对称性。然而,在原子排列长程无序的非晶体系中塑性变形机制多年以来一直是材料科学和凝聚态物理共同面临的一个难题。金属玻璃是简单和典型的无序体系,具有非常独特的力学行为,它的强度已经接近了理论极限,在不同温度范围和应变率范围表现出不同的变形模式。在低温和常温下,金属玻璃的塑性变形集中在剪切带中,导致加工软化和缺乏明显的宏观拉伸塑性。这成为限制金属玻璃广泛应用的瓶颈。为了突破这个瓶颈,需要探索金属玻璃的塑性变形机制。塑性形变问题既有理论意义也对非晶合金的研制和应用有非常重要的意义。块体金属玻璃为研究无序体系的塑性形变机理提供了模型材料体系。
   金属玻璃处于一种能量亚稳态,弛豫是金属玻璃的内在性质。在玻璃态中,有两种最主要的本征弛豫模式,即α弛豫和β弛豫。α弛豫涉及非晶合金中大范围的原子扩散运动,而β弛豫与非晶体系中局域的软化区域的原子扩散行为有关。非晶合金的弛豫过程和玻璃转变、塑性形变有密切的联系。但是非晶形变和弛豫的关联性,如何从弛豫的角度来认识非晶合金的形变机理,如何利用弛豫来控制非晶合金的形变,从而提高非晶材料的塑性,是材料科学和凝聚态物理共同面临的一个难题和热点科学问题。
   中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)汪卫华研究组率先在非晶合金塑性形变和玻璃弛豫关系研究领域开展工作,并取得了一系列成果。白海洋研究员、博士研究生于海滨等从研究金属玻璃的β弛豫角度出发,从理论和实验上研究塑性形变机制和β弛豫之间的联系。利用对固体缺陷很敏感的内耗方法,对非晶合金的β弛豫行为进行了系统和详细的表征,提出了确定β弛豫激活能的方法, 并获得一系列不同非晶合金体系的β弛豫激活能。从微观和宏观两个角度,来阐述非晶塑性形变基本单元(剪切过渡区STZ)与β弛豫之间的关系。他们的研究发现金属玻璃塑性形变基本单元STZ的激活能WSTZ和β弛豫的激活能Eβ在量值上是相等的,即Eβ=WSTZ,这揭示了金属玻璃塑性形变和弛豫之间的内在联系,同时也为解释β弛豫的结构起源提供了新的线索。他们的结果进一步证明非晶中的两大转变--玻璃转变和形变这两个表面上看似完全不同的过程,实际上都是玻璃对外加能量(温度和力)的反应, 本质上都是外加能量造成的玻璃和液态之间的转变或者流变。相关结果发表在Phys Rev B  81, 220201(R) (2010)上
   最近,白海洋研究员、博士研究生于海滨、王铮等从β弛豫和STZ的关联性出发, 研制出了一种能够在室温附近进行拉伸塑性形变的新型La基非晶合金。这种新型La基金属玻璃会发生从高温、低频到低温、高频的韧脆转变,内耗研究发现该转变的特征激活能和β弛豫的激活能Eβ以及非晶塑性形变基本单元STZ的激活能WSTZ相等,证明韧脆转变和STZ的运动以及β弛豫之间的关联。他们还发现该金属玻璃的韧脆转变和β弛豫符合相同的时间-温度标度关系。提出一个非晶体系β弛豫的强弱可以作为非晶合金韧脆的判据。他们和先进材料与结构分析实验室谷林研究员合作,对该材料的微观结构进行了详细的分析,发现该材料具有明显的结构非均匀性。这种非均匀性是拉伸塑性和该体系具有明显β弛豫的结构起源。该项工作进一步证明可以把非晶合金的形成、形变、弛豫等科学问题统一地用流变的物理图像加以描述,对深入认识非晶合金塑性形变机制,弛豫机制都有重要的意义。相关文章的结果发表在Phys. Rev. Lett.108  015504 (2012) 上。
   本项研究工作得到国家自然科学基金项目、973项目和中国科学院的资助。
附件列表
[1] Relating activation of shear transformation zones to β-relaxations in metallic glasses
[2] Tensile Plasticity in Metallic Glasses with Pronounced β-Relaxations
附图如下:
图1. 形变单元STZ的激活能和Beta弛豫的激活能的关系图
Relationship between activation energy of β-relaxation Eβ and energy barriers of STZs WSTZ.
图2. 形变模式转变图, 以及非晶合金在70度30% 拉伸形变照片。扫描照片显示, 拉伸形变仍然有剪切带主导。
(a) The deformation mode map summarizing the tension tests at different temperature and strain rates, the filled squares denote for the brittle fracture while filled circles for the ductile fracture, the DBT is represented by half-filled squares. (b) The temperature and strain rate dependent of the temperature of DBT and fitted with Arrhenius relation. (c) The photograph of the La-MG before and after tension with stain 30% (at 353 K and 1×10-5s-1). (d) The SEM image of a ductile fracture surface of the La-MG (at 333K and 1×10-5s-1 and total strain 6%), and the arrow indicates the shear bands.
图3.  内耗测量显示La基非晶合金含有高密度剪切形变单元。
Comparison of the behavior of β relaxations between the La-based MG with other ten typical MGs. Temperature dependent E” of the La-MG showing distinct relaxations peaks, indicating high density potential shear transformation zones in the metallic glasses.
下载附件>> Relating activation of shear transformation zones to β relaxations in metallic glasses
下载附件>> Tensile Plasticity in Metallic Glasses with Pronounced β Relaxations
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