Nat. Commun.: 空间不均匀性作为结构特性表征金属玻璃的结构-性能相关性

【引言】

晶态材料的力学性能可以通过引入溶质原子、位错、孪晶和晶界等晶体缺陷，用固溶强化、Taylor应变强化和Hall-Petch晶界强化模型来定量描述。然而对于无序的金属玻璃，还缺乏可以准确定义材料力学性能的结构参量。

【成果简介】

为描述结构无周期性的金属玻璃的力学行为，自由体积（free volume）、流变单元、以及剪切转变区域（STZs）等概念已被引入金属玻璃弹性-塑性转变的研究中，来描述结构不稳定性。尽管流变单元和STZ理论是基于金属玻璃结构不均匀性是剪切局域化及剪切软化起源的假设，有关金属玻璃结构不均匀性和宏观力学性能之间的关系仍未明确建立起来。受实验技术的限制，还未能描述金属玻璃空间不均匀性，并确定其和宏观力学性能之间本征关联的定量关系。

近日，上海交通大学尖端物质结构研究中心团队在Nature Communications上发表了题为“Spatial heterogeneity as the structure feature for structure–property relationship of metallic glasses”的文章。该工作报道了纳米尺度空间不均匀性是金属玻璃固有的结构特征，和强度及形变行为有着本征关联。金属玻璃的强度和杨氏模量可以通过空间不均匀性特征长度倒数的平方根来定义。此外，时间相关的应变弛豫的拉伸指数也可以通过特征长度来定量描述。该研究有力证明了空间不均匀性可作为描绘金属玻璃力学性能的结构参量。

【图文导读】

图1：不同热力学状态下金属玻璃的空间不均匀性。

(a)超制备的超快淬样品和553K下分别退火5min（中度弛豫）和720min（高度弛豫）的样品；

(b) 超快淬金属玻璃样品的HRTEM图像，内插图是对应的选取电子衍射图像；

(c) 超快淬样品的HADDF-STEM图像；

(d) 中度弛豫样品的HADDF-STEM图像；

(e) 高度弛豫样品的HADDF-STEM图像。

图2：纳米压痕仪测得的力学性能。

(a) 超快淬样品、中度弛豫样品和高度弛豫样品的纳米压痕力-深度曲线；

(b) 纳米压痕硬度和模量与空间不均匀性特征长度的图像；

(c) 超快淬样品的硬度计压头图像；

(d) 高度弛豫样品的硬度计压头图像。

图3：微米柱压缩测试。

(a) 超快淬微米柱和高度弛豫微米柱样品经非轴向压缩的工程应力应变曲线；

(b) 超快淬微米柱形变后的形貌；

(c) 高度弛豫微米柱形变后的形貌.

图4：应变弛豫测量。

(a) 恒定负载50mN时，压头位移h与保持时间th之间的函数关系；

(b) 弛豫振幅和特征弛豫时间与空间不均匀性的特征长度的比值；

(c) 拉伸指数β与特征长度的函数关系。

【小结】

总的来说，该工作系统研究了金属玻璃空间不均匀性和力学性能之间的关联。强度、模量和弛豫指数可以通过空间不均匀性的特征长度来定量描述。尽管拉伸指数和Hall-Petch关系背后的机制还不清楚，需要进一步研究，现有工作提供了一个明确定义的结构特征来描述金属玻璃的力学性能，这将对理解金属玻璃力学性能的结构起源以及设计性能更好的新型金属玻璃至关重要。

文献链接：Spatial heterogeneity as the structure feature for structure–property relationship of metallic glasses（Nat. Commun.,2018,DOI: 10.1038/s41467-018-06476-8）

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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