PNAS：利用分子模拟理解非晶蠕变机理

【引言】

变形和流动是许多材料的流变行为的基础。对于从分子角度理解蠕变，长期以来都有一个挑战，那就是了解组成原子在局部压力和温度下如何单独或集体重排。关于非晶材料的蠕变实验已经被广泛报道了，然而应力和温度对蠕变的影响与潜在的微观过程之间的关系仍然是一个悬而未决的问题。

【成果简介】

近日，麻省理工学院的Sidney Yip教授（通讯作者）等人在PANS上发表了题为“Understanding the mechanisms of amorphous creep through molecular simulation”的文章。在这篇文章中，使用基于微动力学的原子方法来模拟在金属玻璃薄膜中蠕变的分子过程。通过分析原子应变的时空演化和非原子位移，揭示了非晶态蠕变对应力和热激活的原子级变形和流动过程的细节。从模拟结果来看，空间分辨率随着时间的增加而在时间上以纳秒级的速度递增，从而得到了蠕变率随着应力的众所周知的变化的机理解释。研究者们还构造了一个变形图，描绘了低应力和高温下的扩散蠕变以及高应力下的变形蠕变的主要状态。研究结果验证了非晶可塑性机制的两个原始模型的相关性：一个侧重于通过自由体积的原子扩散，另一个侧重于应力引起的剪切变形。发现这些过程是通过动态非均匀波动非线性耦合的，这种波动表征了系统超出平衡状态的缓慢动态。

【图文导读】

图一：模拟蠕变曲线

应力198MPa，温度0.68Tg时，系统应变ε随时间演变的趋势。

图二：模拟蠕变曲线

在0.68Tg的温度和指定的应力水平下模拟蠕变曲线。

图三：蠕变机制图显示归一化应力温度区域的优势

μ代表材料的弹性模量。 模拟数据被表示为圆圈（n <2）和正方形（n> 5）。 红色的虚线表示将主要剪切变形（STD）机制与原子扩散机理区域分开的边界。 还显示了具有菱形（n> 5）和十字（n〜1）的实验数据（9）。

【小结】

在这篇文章中，作者通过研究来量化模型金属玻璃中稳态蠕变的分子机制。在低应力和高温下，主要机制是热激活的粒子流动；而在高应力下，机制是更为复杂的应力增强局部剪切变形和原子扩散过程。将这些过程联系起来就可以解释实验观察到的非晶蠕变的应力和温度变化，以及单粒子扩散和集体原子重排。这种观点促使人们重新审视现有的动态异质性概念和缓慢驱动的阈值体系中的自组织变体，以评估各种理论框架，如STZ理论、扩展的模态耦合形式、弱化机制的平均场方法、时变过渡理论建模等。

文献链接：Understanding the mechanisms of amorphous creep through molecular simulation（PANS，2017，DOI: 10.1073/pnas.1708618114）

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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